Вольфрамовые лампы. Электрическая лампа: схема, устройство, описание и отзывы

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.

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

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.

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

Достоинства и недостатки

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

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

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

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

Принцип действия.

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

Устройство и работа ламп накаливания

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

Обозначения ламп накаливания

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

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

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

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

Примеры исполнения стандартных ламп накаливания

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

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…

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а - высоковольтной проекционной лампы; б - низковольтной проекционной лампы; в - обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а - в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б - в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 - кольцевая спираль; 2 - прямая биспираль; 3 - спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10 -10 и 9,95×10 -8 кг/(см²×с).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 - 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами - калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10 -7 К -1 . Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 - 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов