Как устроена осветительная лампа накаливания. Принцип работы и устройство электрической лампы накаливания

Две лампочки от новогодней гирлянды включены последовательно

Сегодня, когда народ готовится встречать Новый год, на блоге СамЭлектрик.ру мы уже думаем о Лете. Точнее, о летнем , первая статья которого публикуется сегодня!

Статью можно считать научно-теоретической, а скорее инженерно-практической.
Не вызывает сомнения, что статья может оказаться интересной для инженеров и техников, деятельность которых связана с эксплуатацией такого простого и знакомого всем нам прибора как лампочка накаливания. А также – для всех, кто интересуется физикой.

Напоминаю, что по у меня на блоге уже была попытка исследовать данный вопрос – в моей статье “ “

Не смотря на обыденнность лампочки, не смотря на ее “повседневность”, особенности ее эксплуатации имеют то, что принято называть “белыми пятнами”.

В настоящий момент электрические параметры лампы накаливания невозможно рассчитать, если режим эксплуатации отличается от паспортного (от того режима на который лампочка спроектирована). Автор предлагает физическую модель, в рамках которой удается получить ряд формул, пригодных для решения широкого круга практических инженерных задач.

Выражаю признательность владельцу ресурса за любезно предоставленную возможность опубликования этого мемуара.

Матросов С.

Лампа накаливания

Настоящую статью предлагается понимать как расширенное толкование (или пояснение) статьи «Закон Кеплера для лампочки накаливания» – https://www.proza.ru/2016/09/19/1858

В указанной статье приведена формула, позволяющая обсчитывать параметры лампы накаливания в произвольных режимах, в том числе и в режимах, отличающихся от паспортных.

Формула зависимости напряжения и мощности лампочки

Это основная формула статьи, вывод которой будет приведён ниже. Формула выглядит так:

Для любой лампы накаливания существует параметр, стабильный в широком диапазоне электрических режимов. Этим параметром является отношение куба напряжения к квадрату мощности.

Методика использования формулы проста.

Берем лампочку, читаем на колбе или на цоколе параметры, на которые она расчитана – напряжение и мощность, рассчитываем константу, потом вставляем в формулу любое произвольное напряжение и вычисляем мощность, которая выделится на лампочке.

Зная мощность, несложно вычислить ток.

Зная ток, несложно вычислить сопротивление нити накаливания.

Вот и рассмотрим вопросы, связанные с правильной эксплуатацией формулы, а так же с теми ограничениями, котрые неизбежны ввиду того что «абсолютных» формул просто не бывает.

Однако, сначала немножко «теории»…

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Базовые «теоретические» предпосылки

Формула была получена в предположении того, что в металле (из которого состоит нить накаливания) ток и сопротивление имеют единую физическую сущность.

В упрощенном виде это можно рассуждать примерно так.

Сообразно современным воззрениям, ток представляет собой упорядоченное движение носителей заряда. Для металла это будут электроны.

Было сделано предположение, что электрическое сопротивление металла определяется ХАОТИЧЕСКИМ движением тех же самых электронов.

С возрастанием температуры нити, хаотическое движение электронов возрастает, что, в конечном итоге, и приводит к возрастанию электрического сопротивления.

Еще раз. Ток и сопротивление в нити накаливания – суть одно и тоже. С той лишь разницей, что ток – это упорядоченное движение под действием электрического поля, а сопротивление – это хаотическое движение электронов.

Немножко «алгебраической схоластики»

Теперь, когда с “теорией” покончено (улыбнулся), приведу алгебраические выкладки для вывода «главной» формулы.

Каноническая запись закона Ома выглядит:

I * R = U

Для приведения в соответствие количественных значений, необходимо ввести соответствующие коэффициенты пропорциональности, для токовой компоненты – Кт и для резистивной компоненты – Кр:

Самые общие соображения подвигают к мысли, что эти коэффициенты должны быть взаимно обратными величинами, а значит:

В этом случае, попарно перемножая правые и левые части (в системе уравнений), мы возвращаемся к исходной записи закона Ома:

I * R = U

Окончательный вывод формулы

Рассмотрим подробнее систему уравнений:

Возведем в квадрат первое уравнение и попарно перемножим их.

В левой части мы видим выражение для мощности, а так же памятуя о том, что произведение коэффициентов равно единице, окончательно перепишем:

Отсюда получим выражение для токового коэффициента:

И для резистивного коэффициента (они взаимообратны): где Рном и Uном – это номинальные мощность и напряжение, маркированные на цоколе или на колбе лампы.

Осталось подставить эти значения коэффициентов в “РАСЩЕПЛЕННУЮ” формулу Закона Ома, и мы получим окончательные выражения для тока и сопротивления.

Домножая последнее соотношение на Ux, получим:

Чтобы не забивать себе голову этими квадратами, кубами и корнями, достаточно запомнить простую зависимость, которая вытекает из последнего соотношения. Возводя последнее соотношение в квадрат, мы получаем ясную и понятную формулу:

Для любой лампочки с вольфрамовой нитью накала отношение куба напряжения к квадрату мощности является величиной ПОСТОЯННОЙ.

Полученные соотношения показали прекрасное соответствие практическим результатам (измерениям) в широком диапазоне изменения параметров напряжения и для весьма различных типов ламп накаливания, начиная от комнатных, автомобильных и заканчивая лампочками для карманных фонариков…

Некоторые общие рассуждения по сопротивлению лампочек накаливания

Безусловно, для малых значений напряжения (когда приложенное напряжение ЗНАЧИТЕЛЬНО отличается от паспортного), наши формулы будут “подвирать”.

Например, при расчете сопротивления комнатной лампочки накаливания 95W , 230V, подключенной к источнику напряжения 1 вольт, формула

дает значение сопротивления нити 36,7171 ом.

Если предположить, что мы подали на лампу напряжение 0,1 вольта, то расчетное сопротивление нити составит 11,611 ом…

Интуиция подсказывает, что дело обстоит не совсем не так, а скорее совсем не так…

В области малых напряжений формула будет стабильно “низить” значение расчетного сопротивления по сравнению с фактическим, и дело тут вот в чем…

В рассматриваемой концепции неявно предполагается, что хаотическое движение электронов “ЗАМРЕТ” при отсутствии внешнего приложенного напряжения. Однако, очевидно, что движение электронов не “замирает” даже в отсутствие приложенного внешнего напряжения (если лампа просто лежит на столе и никуда не включена).

Хаотическое движение электронов имеет ТЕПЛОВУЮ природу и обусловлено ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ нити накаливания.

Этот момент формулой не учитывается и прямое измерение сопротивления нити прибором неизбежно покажет отличие измеренного значения сопротивления против расчетного.

Излучение и КПД лампочки накаливания

Прежде чем разобраться с вопросом применимости формулы для обсчета режимов “малого напряжения”, следует акцентировать внимание на один момент.

Лампочка представляет собой почти идеальный преобразователь электрической мощности в лучистую энергию.

То обстоятельство, что разработчики лампочек упорно бьются за повышение КПД лампочки, никоим образом не влияет на данное утверждение. Лампа накаливания – идеальный преобразователь электрической мощности в излучение.

Дело в том, что разработчики стремятся повысить выход СВЕТОВОЙ энергии, и именно в этом смысле вычисляют КПД. Разработчик стремится повысить коэффициент преобразования электрической мощности именно в СВЕТОВОЕ излучение, в излучение, находящееся в видимом диапазоне.

Этот КПД у лампочки действительно МАЛ. Однако лампочка прекрасно излучает ВО ВСЕМ спектре и очень много в инфракрасном диапазоне, там, где наш глаз не видит.

Для расчета сугубо электрических параметров нам совершенно не важно, В КАКОМ диапазоне излучает лампочка. Нам важно лишь помнить, что лампочка ИЗЛУЧАЕТ ВСЕГДА, если только на нее подано хоть какое-то (пусть даже самое малое) напряжение. И важно помнить, что подводимая мощность рассеивается именно в форме излучения.

Сколько электрической мощности подано на лампу, именно ТАКАЯ мощность и рассеется в форме излучения .

Закон сохранения энергии никто не отменял и второй закон термодинамики тоже никто не отменял. А значит, сколько прибыло – столько и убыть должно. И убудет именно в форме излучения, ибо больше энергии деваться просто НЕКУДА – только в излучение. Это очень важное обстоятельство.

Конструктивно нить накаливания представляет собой тонюсенькую вольфрамовую проволочку диаметром порядка 50 микрон и длиной порядка полуметра, свернутую в в спиральку замысловатой конфигурации.

Вакуум в колбе исключает возможность конвекционного теплообмена – ТОЛЬКО ЧЕРЕЗ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Конечно, какая то доля тепла уходит через усики лампы, на которой крепится спиралька, но это мизер.

Чтобы наглядно представить себе эту малость, можно провести аналогию.

Повторю, сама вольфрамовая ниточка – аккурат размером с волосок из косички первоклассницы 50 см в длину и 50 микрон в диаметре.

Если наглядно увеличить этот волосок.… это как если мы имеем проводочек диаметром 1 мм и длиной 10 метров! Здравый смысл подсказывает, что охлаждаться этот проводок вовсе НЕ путем теплообмена на краях. Да, что-то уйдет и в местах контакта, но основная мощность рассеется по всей длине проводка.

Для случая спирали, расположенной в вакууме, вся мощность уйдет В ИЗЛУЧЕНИЕ и не важно в каком диапазоне спектра…

Важный эксперимент с измерением сопротивления Омметром

Любой, даже самый маленький ток БУДЕТ оказывать тепловое воздействие на проводок, НАГРЕВАЯ его…

Измеряя тестером сопротивление лампочки мы… пропускаем через нее ТОК. Ток от тестера маленький, но он ЕСТЬ. Следовательно, измеряя сопротивление нити, мы НАГРЕВАЕМ нить и, как следствие этого, меняем значение параметра самим фактом измерения.

Грубо говоря, тестер ТОЖЕ ВРЕТ. Тестер показывает НЕ ИСТИННОЕ значение сопротивления спирали.

Для того чтобы убедиться в этом обстоятельстве, можно проделать несложный эксперимент. Это доступно любому.

Можно ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ тестером отобрать две лампочки с одинаковыми (близкими) значениями “холодного” сопротивления нити, и измерить сопротивление ДВУХ лампочек сначала каждую порознь, а потом соединенных последовательно.

Неоднократные измерения показывают, что сумма сопротивлений, измеренных порознь, НЕ СОВПАДАЕТ с суммарным сопротивлением последовательного включения…

Мы измеряем сопротивления лампочек порознь.

Затем мы измеряем сопротивление последовательного включения.

И мы УСТОЙЧИВО наблюдаем, что сумма сопротивлений измеренных “по одиночке” оказывается БОЛЬШЕ чем суммарное сопротивление лампочек, включенных последовательно.

Прибор один и тот же, диапазон измерения не переключался, так что методические погрешности измерения исключаются.

И все становится ПОНЯТНО.

Последовательное сопротивление двух спиралей УМЕНЬШАЕТ ток от тестера, и нити нагреваются меньше.

А когда мы меряем лампочки порознь, то ток измерения больше и соответственно увеличиваются показания прибора за счет пусть даже небольшого, но УВЕЛИЧЕНИЯ температуры нитей вследствие нагрева в процессе измерения…

Раньше (четверть века назад, когда еще цифровые тестеры были экзотикой) было невозможно стрелочным индикатором уловить эту разницу. Сейчас в любом доме имеется китайский цифровой тестер и любой человек, может проделать этот несложный эксперимент.

Разница в сопротивлениях невелика, но разница ОЧЕВИДНА, что исключает даже намек на возможную некорректность опыта.

Я подключил лампочки, подключил тестер и сфотографировал результаты таких экспериментов. На фотографиях прекрасно видно, что тестер показывает пониженное сопротивление лампочек, включенных последовательно.

На фотографиях для бытовых лампочек 60 Ватт 220 Вольт сумма сопротивлений, измеренных порознь: 72,0 + 65,2 = 137,2 ом.

Однако, измеряя сопротивление последовательно, прибор “низит” показание до 136,8 ом!

Аналогичная картина наблюдается для гирляндных лампочек:

Вывод. Расчетная формула показывает ЗАНИЖЕННОЕ значение сопротивления “холодной” спирали.

Измерение тестером показывает ЗАВЫШЕННОЕ сопротивление “холодной” спирали.

Возникает естественная мысль – Как страшно жить!!! Кому верить?

Попробуем разобраться в этом вопросе…

Мощность излучения по отношению к окружающему фону

Оценим мощность излучения лампы, соответствующую температуре окружающего фона.

Известно, что постоянная Стефана-Больцмана σ = 5,670373·10 -8 , тогда мощность излучения с квадратного метра

Р = σ SТ 4

В качестве произвольного оценочного значения примем диаметр спирали 40 микрон, а длину 50 см. Температура нормальных условий 293К (20С). Подставив эти данные в формулу Стефана-Больцмана, получим мощность излучения при температуре 0,026258 Ватт.

Для интереса вычислим мощность при некоторых различных температурах окружающей среды:

Минус 40 (233К) 0,0105 Ватт

Минус 20 (253К) 0,0146 Ватт

Нуль (273К) 0,0198 Ватт

Плюс 20 (293К) 0,026258 Ватт (норм.условия)

Плюс 40 (313К) 0,0342 Ватт

Для курьеза можно привести расчет излучения лампы, когда температура окружающей среды равна 2300К:

Р = 99,7 Ватт.

Что вобщем неплохо согласуется с реальным положением вещей – лампа, расчитанная на 100 ватт нагревается до температуры 2300К.

Можно с высокой долей уверенности заявить, что данная геометрия спирали соответствует «стоваттной» лампочке, рассчитанной на 220 вольт.

А теперь пересчитаем эти величины мощностей к «приведенному» напряжению. Как если бы температура окружающей среды соответствовала Абсолютному Нулю, а к лампе было приложено некоторое напряжение, нагревающее спираль.

Для пересчета используем полученное соотношение что напряжения и мощности соответствуют степеням «три» и «два».

темпер, К	напряжение, В
233	0,489665457
253	0,609918399
273	0,747109176
293	0,902119352
313	1,075809178

Из таблицы видно, что “токовая” мощность лампочки при напряжении на ней 0,902…Вольт нагревает спираль до температуры 293К. Аналогично, “токовая” мощность при напряжении 1,0758 Вольт нагреет спираль до температуры 313К (на 20 градусов выше).

Повторю еще раз, это при условии, что температура окружающей среды равна Абсолютному Нулю.

Вывод . Весьма малое изменение напряжения оказывает значительное влияние на температуру нити. Изменили напряжение на каких то семнадцать сотых Вольта (1,0758 – 0,902 = 0,1738) а температура возросла на 20 градусов.

Эти расчеты весьма условны, но в качестве ОЦЕНОЧНЫХ величин их можно использовать.

Оценка естественно очень грубая, ибо закон Стефана-Больцмана описывает излучение «идеального» излучателя – абсолютно черного тела (АЧТ), а спираль весьма отличается от АЧТ, но, тем не менее, получили «цифирь» весьма правдоподобную…

Из экселовской таблички видно, что уже при напряжении на лампе 1 вольт, температура спирали будет 40 градусов по Цельсию. Приложим больше, будет больше.

Напрашивается естественный вывод, что при напржении 10-15 вольт нить будет достаточно горячая, хотя визуально это не будет видно.

На глаз нить будет казаться «ЧЕРНОЙ» (холодной) вплоть до температур 600 градусов (начало излучения в видимом диапазоне).

Желающие «погонять цифирь» могут это сделать самостоятельно, используя формулу Стефана- Больцмана.

Результаты будут условными, ввиду того что (как было сказано выше) спираль имеет некоторое альбедо и не соответствует излучателю АЧТ, НО(!) оценка температур будет вполне достоверной…

Повторю – именно ОЦЕНКА. Нить начинает светиться примерно с 20 вольт.

Дополнительно хотел бы обратить внимание на разброс параметров лампочек.

На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно. Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю».

Выражения для токов приравниваются. Небольшие алгебраические преобразования. И получается окончательное квадратное уровнение относительно неизвестного Us.

Из рисунка понятно, что Us это напряжение на лампе.

От Администратора блога.

Эта статья участвует в Конкурсе статей лета 2018 г. Подведение итогов (ориентировочно) – в июне 2018. Подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу ВК, там новостей всегда больше, чем на блоге!

История ламп накаливания уходит своими корнями в девятнадцатый век. Рассмотрим основные моменты, связанные с этим уникальным изобретением человечества.

Особенности

Лампа накаливания это предмет, который знаком многим людям. В настоящее время трудно себе представить жизнь человечества без использования искусственного и электрического света. При этом редко кто задумывается над тем, как выглядела первая лампа, в какой исторический период она была создана.

Для начала рассмотрим устройство лампы накаливания. Этот источник электрического света представляет собой проводник с высокой температурой плавления, который находится в колбе. Из нее предварительно выкачан воздух, вместо него колба заполнена инертным газом. Проходя через лампу, электрический ток испускает поток света.

Суть функционирования

Каков принцип работы лампы накаливания? Он заключается в том, что при протекании электрического тока через тело накала, элемент нагревается, при этом разогревается сама вольфрамовая нить. Именно она испускает по закону Планка излучение теплового и электромагнитного типа. Чтобы создавать полноценное свечение, необходимо накалить вольфрамовую нить до нескольких сотен градусов. По мере уменьшения температуры спектр приобретает красный цвет.

Первые лампы накаливания имели множество недостатков. Например, сложно было регулировать температуру, в результате чего лампы быстро выходили из строя.

Технические особенности

Что собой представляет конструкция современной лампы накаливания? Так как она стала первым источником света, у нее достаточно простая конструкция. Основными элементами лампы считают:

• тело накала;
• колба;
• вводы тока.

В настоящее время разработаны различные модификации, в лампу введен предохранитель, представляющий собой звено. Для производства этой детали используют железоникелевый сплав. Звено сваривают в ножку ввода тока для того, чтобы не допустить при накаливании вольфрамовой нити разрушения стеклянной колбы.

Рассматривая основные преимущества и недостатки ламп накаливания, отметим, что с момента своего появления лампы были существенно модернизированы. Например, благодаря использованию предохранителя снизилась вероятность быстрого разрушения лампы.

Основным минусом подобных осветительных элементов является их высокое потребление энергии. Именно поэтому в настоящее время они стали применяться значительно реже.

Как появились искусственные источники света

История ламп накаливания связана со многими изобретателями. До того времени, когда русский физик Александр Лодыгин стал работать над ее созданием, уже были разработаны первые модели ламп накаливания. В 1809 году английский изобретатель Деларю разработал модель, которая была оснащена платиновой спиралью. История ламп накаливания связана и с изобретателем Генрихом Гебелем. В образце, созданном немцем, обугленная бамбуковая нить помещалась в сосуд, из которого предварительно выкачивали воздух. Гебель занимался модернизацией своей модели лампы накаливания на протяжении пятнадцати лет. Ему удалось получить рабочий вариант лампочки накаливания. Лодыгин добился качественного свечения угольного стержня, помещенного в стеклянном сосуде, из которого был удален воздух.

Вариант практичной модели

Первые лампы накаливания, которые можно было производить в больших объемах, появились в Англии в конце девятнадцатого века. Джозефу Уилсону Суону даже удалось получить патент на собственную разработку.

Говоря о тех, кто придумал лампу накаливания, также необходимо остановиться на экспериментах, проводимых Томасом Эдисоном.

Он пытался использовать в качестве нитей накаливания различные материалы. Именно этот ученый предложил в качестве нити накаливания платиновую нить.

Такое изобретение лампы накаливания стало новым этапом в сфере электричества. Изначально лампы Эдисона функционировали только в течение сорока часов, но, несмотря на это, они достаточно быстро вытеснили газовое освещение.

В тот период, когда Эдисон занимался своими исследованиями, в России Александру Лодыгину удалось создать сразу несколько различных видов ламп, в которых роль нитей играли тугоплавные металлы.

История ламп накаливания свидетельствует о том, что именно русский изобретатель впервые стал применять в виде тела накаливания тугоплавкие металлы.

Помимо вольфрама Лодыгин также проводил эксперименты с молибденом, скручивая его в виде спирали.

Специфика работы лампы Лодыгина

Для современных аналогов характерен прекрасный световой поток, а также качественная цветопередача. Их коэффициент полезного действия составляет 15% при наибольшем значении температуры накала. Такие источники света для своей работы потребляют существенное количество электрической энергии, поэтому их функционирование осуществляется не больше 1000 часов. Это с лихвой окупается невысокой стоимостью ламп, поэтому, несмотря на многообразие искусственных источников освещения, представленным на современном рынке, они по-прежнему считаются популярными и востребованными среди покупателей.

Интересные факты из истории лампы накаливания

В конце девятнадцатого века Дидрихсону удалось внести существенные изменения в модель, предлагаемую русским изобретателем Лодыгиным. Он провел полную откачку из нее воздуха, использовал в лампе сразу несколько волосков.

Подобное усовершенствование позволяло использовать лампу даже в том случае, когда один из волосков перегорал.

Английскому инженеру Джозефу Уилсону Суону принадлежит патент, подтверждающий создание им лампы с угольным волокном.

Волокно располагалось в кислородной разряженной атмосфере, в результате чего свет получался более ярким и равномерным.

Во второй половине девятнадцатого века Эдисон помимо самой лампы изобретает поворотный бытовой выключатель.

Масштабное появление ламп на рынке

С конца девятнадцатого века стали появляться лампы, в которых в качестве нити накаливания использовались оксиды иттрия, циркония, тория, магния.

В начале прошлого века венгерскими исследователями Шандором Юстом и Франьо Ханаманом был получен патент на применение вольфрамовой нити в лампах накаливания. Именно в этой стране были изготовлены первые экземпляры таких ламп, которые вышли на масштабный рынок.

В США в этот же временной период были построены и запущены заводы, занимающиеся получением титана, вольфрама, хрома, путем электрохимического восстановления.

Высокая стоимость вольфрама внесла свои корректировки в скорость внедрения ламп накаливания в повседневную жизнь.

В 1910 году Кулидж разработал новую технологию изготовления тонких вольфрамовых нитей, что способствовало удешевлению производства искусственных ламп накаливания.

Проблему ее быстрого испарения удалось решить американскому ученому Ирвингу Ленгмюру. Именно им было введено в промышленное производство наполнение инертным газом стеклянных колб, что увеличило срок эксплуатации лампы, удешевило их.

Коэффициент полезного действия

Практически вся энергия, которая получается в лампу, постепенно переходит в тепловое излучение. КПД достигает 15 процентов при температурном показателе 15 процентов.

По мере повышения значения температуры происходит увеличение коэффициента полезного действия, но это вызывает существенное снижение эксплуатационного срока службы лампы.

При 2700 К срок полноценного использования искусственного источника света составляет 1000 часов, а при 3400 К - несколько часов.

Для того чтобы повысить долговечность лампы накаливания, разработчики предлагают уменьшать значение напряжения питания. Безусловно, при этом КПД также будет снижаться примерно в 4-5 раз. Такой эффект инженеры используют в тех случаях, когда требуется надежное освещение минимальной яркости. К примеру, это актуально для вечернего и ночного освещения строительных площадок, лестничных пролетов.

Для этого осуществляют последовательное подключение переменного тока лампы с диодом, что гарантирует подачу тока в лампу на протяжении половины всего периода подачи тока.

Учитывая, что цена обычной лампы накаливания существенно меньшее ее среднего срока эксплуатации, приобретение таких источников освещения можно считать достаточно выгодным мероприятием.

Заключение

История появления той модели электрической лампы, к которой мы привыкли, связана с именами многих русских и иностранных ученых и изобретателей. На протяжении двух столетий этот искусственный источник освещения подвергался преобразованиям, модернизации, целью которых было увеличение эксплуатационного срока службы прибора, снижение его стоимости.

Самый большой износ нити накала наблюдается в случае резкой подачи на лампу напряжения. Для решения этой проблемы, изобретатели стали снабжать лампы разнообразными устройствами, гарантирующими их плавный запуск.

В холодном виде вольфрамовая нить обладает удельным сопротивлением, которое всего в два раза превышает показатель алюминия. Для того чтобы избегать пиковых значений мощности, разработчики используют терморезисторы, сопротивление которых падает по мере повышения температуры.

У низковольтовых ламп при равной мощности ресурс эксплуатации и светоотдача намного выше, поскольку они имеют большее сечение тела накаливания. В светильниках, рассчитанных на множество ламп, эффективно последовательное соединение нескольких ламп меньшего напряжения. К примеру, можно вместо шести ламп мощностью 60 Вт, включенных параллельно, использовать всего три.

Безусловно, в наши дни появились различные модели электрических ламп, которые имеют гораздо более результативные характеристики, чем обычные лампочки, изобретенные во время Лодыгина и Эдисона.

Ни для кого не секрет, что даже сейчас, с появлением множества новых энергосберегающих источников света, лампа накаливания (еще ее называют «лампочка Ильича» или вольфрамовая лампа), остается очень востребованной, и многие пока не готовы от нее отказаться. Скорее всего, пройдет еще немного времени и этот световой прибор практически уйдет с рынка электротехники, но, естественно, забыт он не будет. Ведь по сути, с открытием обычной лампы накаливания началась новая эра в освещении.

Из чего состоит вольфрамовая лампочка?

Конструкция лампы накаливания с вольфрамовой нитью очень проста. Она состоит из:

• колбы, т. е. самой стеклянной сферы, либо вакуумированной, либо наполненной газом;
• тела накала (нить накаливания) – спирали из сплава вольфрама;
• двух электродов, по которым на спираль подается напряжение;
• крючков – держателей вольфрамовой нити, выполненных из молибдена;
• ножки лампочки;
• внешнего звена токоввода, служащего предохранителем;
• корпуса цоколя;
• стеклянного изолятора цоколя;
• контакта донышка цоколя.

Принцип работы лампы накаливания также несложен. Свет вырабатывается по причине того, что вольфрамовая нить нагревается от подаваемого на нее напряжения. Подобное свечение, хоть и в более малых объемах, можно увидеть при работе электрической плитки с открытым нагревательным элементом из нихрома. Свет от спирали выделяется очень слабый, но на этом примере становится ясно, как работает лампа накаливания.

Кроме привычной формы, эти световые приборы могут быть и декоративными, в виде свечи, капли, цилиндра или шара. Так как свет от вольфрама всегда одного цвета, производители выпускают такие осветительные приборы с различными, иногда окрашенными стеклами.

Интересны в работе лампочки с нитями накаливания с зеркальным покрытием. Принцип действия лампы накаливания можно сравнить с точечными светильниками, так как освещают они направленно определенную площадь.

Достоинства

Конечно, основные преимущества ламп накаливания – это минимальная сложность при их изготовлении. Отсюда, естественно, и низкая цена, ведь на сегодняшний день более простого электрического прибора и представить нельзя. Та же история и с включением такого элемента в сеть. Для этого не нужно устанавливать какое-то дополнительное оборудование, достаточно простейшего патрона.

В некоторых случаях даже при его отсутствии люди подключают лампы накаливания, на скорую руку соорудив патрон из дерева, пластика, либо вовсе соединяя лампу с проводом при помощи изоляционной ленты. Конечно, такие подключения в форс-мажорных обстоятельствах имеют право на существование, но они небезопасны в смысле пожарной и электрозащиты (необходимо следить, чтобы основание не нагрелось).

Также лампочки с нитью накаливания больших мощностей (150 Вт) очень широко применяются в освещении теплиц. Ведь помимо того, что они дают свет, в результате накаливания вольфрамовой нити лампы сильно нагреваются. К тому же освещение от них наиболее близко к солнечному свету, современная лампочка на светодиодах или люминесцентная энергосберегающая этим похвастаться не могут. По этой же причине лампа накаливания имеет преимущество и в вопросе влияния на зрение человека.

Недостатки

К недостаткам ламп накаливания можно отнести недолговечность работы таких приборов, это напрямую зависит от такого параметра, как напряжение в сети. Если повысить ток, то спираль начнет быстрее изнашиваться, что и приведет к перегоранию в самом тонком месте. Ну а если же понизить напряжение, то освещение станет намного слабее, хотя, конечно, это увеличит срок службы лампы.

К основным недостаткам ламп накаливания можно также отнести и негативное действие на нить накала резких скачков напряжения. Но от этого недостатка можно избавиться путем установки вводного стабилизатора. Конечно, остается вопрос с включением освещения. Ведь в момент подачи напряжения нить накала холодная, а значит, сопротивление ее ниже. Решается эта проблема установкой простейшего поворотного диммера. Тогда с поворотом рукоятки нить будет накаливаться плавнее, (т. е. будет отсутствовать краткая резкая подача напряжения), а значит и прослужит она много дольше.

Но все же главным минусом этих приборов, конечно же, можно считать их низкий КПД, а именно то, что работающая лампа расходует подавляющую части энергии на тепло, в результате чего начинает сильно нагреваться. Эти потери составляют до 95%, но такой уж алгоритм работы вольфрамовых лампочек. Так что при приобретении этого светового прибора следует учитывать все преимущества и недостатки лампы накаливания.

Виды ламп накаливания

Лампочки с использованием вольфрамовой нити могут быть не только вакуумными. Устройство лампы накаливания различает несколько видов подобных осветительных приборов, каждый из которых используется в определенных отраслях. Они могут быть:

• вакуумными, т. е. самыми простыми;
• аргоновыми, либо азотно-аргоновыми;
• криптоновыми, которые светят на 13–15% сильнее аргоновых;
• ксеноновыми (чаще применяемыми в последнее время в фарах автомобилей и светящими в 2 раза ярче аргоновых);
• галогенными – колба в лампе накаливания наполнена галогеном брома или йода. Свет в 3 раза ярче, чем у аргоновой, но эти лампы не терпят снижения напряжения и внешнего загрязнения стекла колбы;
• галогенными с двойной колбой – с повышенной эффективностью работы галогенов по сбережению вольфрама в нити накаливания;
• ксенон-галогенными (еще более яркими) – они наполнены помимо галогенов йода или брома еще и ксеноном, т. к. от того, какой газ находится в колбе, напрямую зависит то, сколько градусов составит нагрев лампы а, следовательно, зависит и ее яркость.

Коэффициент полезного действия

Как уже говорилось, ввиду того, что строение лампы накаливания подразумевает разогрев спирали, 95% подающейся на осветительный прибор энергии уходит в тепло, выделяемое при ее работе, и лишь 5% идет непосредственно на освещение. Это тепло является инфракрасным излучением, которое глаза человека не воспринимают. Потому коэффициент полезного действия таких осветительных приборов при повышении температуры лампы накаливания до 3 400 К составит 15%. При снижении ее до 2 700 К (что соответствует температуре работы лампы в 60 Ватт) КПД ламп составит уже 5%. Получается, что с повышением температурных режимов повышается и КПД, но при этом значительно падает срок службы. Значит, при условии понижения тока падает и коэффициент полезного действия, зато долговечность прибора возрастет в тысячи раз. Такой способ увеличения срока службы ламп часто используется в подъездах многоквартирных домов, где питание на источники подается последовательно на два осветительных прибора, либо к лампе последовательно подключается диод, что позволяет понизить ток сети.

Что выбрать: светодиоды или вольфрамовые лампы?

Это вопрос, ответ на который каждый находит для себя сам, оценив для себя лампы накаливания, их достоинства и недостатки. Советов здесь быть не может. С одной стороны, светодиоды потребляют во много раз меньше электроэнергии и более долговечны в работе, чего нельзя сказать о «лампочках Ильича», а с другой – лампы накаливания оказывают более щадящее действие на зрение человека.

И все же есть статистика, а согласно ей, продажи светодиодов и энергосберегающих ламп в последнее время возросли более чем на 90%, т. к. человеку свойственно идти в ногу с прогрессом, а значит, недалеко время, когда лампы накаливания уйдут в прошлое.

После замыкания цепи (например, при нажатии выключателя) электрический ток начинает проходить через тело накала, которое при достижении определенной температуры испускает видимое человеческим глазом излучение. При достижении температуры 570 о С человек способен увидеть в темноте излучаемое телом красное свечение, а стандартная рабочая температура нити в лампе накаливания находится в пределах 2000-2800 °C. Чем меньше температура тела накаливания, тем более «красным» будет выглядеть излучение (подробнее о цветопередаче написано в статье). Чтобы лучше понять принцип работы обычной лампочки, необходимо разобраться в конструкции и обязательных элементах, к которым относится колба, тело накала и токовводы.

Стандартная лампочка имеет грушевидную форму и состоит из следующих частей:

• Колба . Изготавливается из натриево-кальциевого силикатного стекла, может быть прозрачной, матовой, молочной, опаловой, зеркальной (отражающей). Если лампочка используется без плафона в маленьком помещении, то обратите внимание на лампочки с матированной или молочной колбой, так как их световые потоки на 3% и 20% соответственно меньше чем световой поток прозрачных ламп. Также колбы могут покрываться с наружной стороны декоративными красителями, лаками, керамикой.
• Буферный газ (полость колбы). Для предотвращения окисления спирали (тела накала) из колбы выкачивают воздух, создавая внутри вакуум. Однако сегодня вакуум используется только в маломощных лампочках, а большинство современных моделей наполнены инертным газом, который увеличивает силу свечения. По составу газовой среды лампы накаливания можно разделить на: вакуумные, газонаполненные (ксенон, криптон, смесь азота с аргоном и т.д.), галогенные.
• Тело накала . Чаще всего изготавливается из проволоки круглого сечения, реже – из ленточного металла. В первых моделях лампочек применялась угольная нить, в современных – спираль из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава.
• Токовые вводы (свинцовая проволока).
• Держатели тела накала (молибденовые держатели).
• Ножка (штенгель и ножка лампы).
• Внешнее звено токоввода .
• Плавкая вставка (предохранитель)
• Корпус цоколя .
• Стеклянный изолятор цоколя .
• Контакт донышка цоколя .

Какие бывают виды/типы ламп накаливания?

Классификация ламп накаливания довольно разветвленная, так как учитывает множество характеристик.

По виду цоколя самыми распространенными являются резьбовые и штырьковые. В быту чаще всего можно встретить резьбовой цоколь Эдисона, обозначающийся буквой Е, возле которой пишется его диаметр в миллиметрах, например, Е10, Е14, Е27 и Е40.

По форме колбы лампочки накаливания бывают разнообразными, начиная со стандартных грушевидных, заканчивая фигурными, витыми и др. В некоторых случаях размер и форма колбы (а также наличие светоотражающих участков) связаны с тем, где применяется лампа накаливания, в других же случаях это связано с декоративной функцией.

Лампы накаливания: характеристики и маркировка

Чтобы знать, как выбрать лампу накаливания, необходимо научиться читать ее маркировку, которая представляет собой сочетание букв и цифр. Буквенная часть маркировки указывает на свойства и конструкцию изделия, к примеру:

Б – биспиральная

БО – биспиральная с опаловой колбой, которая наполнена аргоном

БК – биспиральная, колба наполнена криптоном

ДБ – диффузная с матированием внутри колбы

В – вакуумная

Г — газонаполненная

О – с опаловой колбой

М – с молочной колбой

Ш – шаровидная

З – зеркальная (ЗК – концентрированная кривая света, ЗШ – расширенная кривая)

МО – применяемая для местного освещения

Цифрами указывается диапазон напряжения и мощность. Так, маркировку Б 220..230 60 можно расшифровать так: биспиральная лампа накаливания мощностью 60Вт, рассчитана на диапазон напряжений от 220 до 230 В.

Какие недостатки/преимущества у лампы накаливания?

К достоинствам лампочек накаливания можно отнести:

• невысокую стоимость;
• широкий диапазон мощностей;
• бесперебойную работу при низком напряжении (со снижением интенсивности освещения);
• устойчивость к незначительным перепадам напряжения (с возможным сокращением срока службы);
• комфортную цветовую температуру (теплую);
• возможность использовать во влажных помещениях;
• простоту эксплуатации.

К недостаткам относится:

• сильный нагрев (создание пожароопасной ситуации);
• небольшой срок эксплуатации;
• низкая светоотдача (КПД <4%)
• зависимость светоотдачи от напряжения;
• риск разрыва колбы;
• хрупкость.

Как увеличить срок службы лампы накаливания?

Как уже было сказано ранее, предполагаемый производителем срок службы лампочек накаливания достигает в среднем 750-1000 часов, однако на практике перегорают они гораздо чаще. Это происходит из-за возникновения трещин и разрушения вольфрамовой нити (вследствие перегрева и испарения). Чтобы продлить срок эксплуатации лампы, следует для начала устранить возможные причины перегорания.

1. Диапазон напряжений. Для разных ламп накаливания производители указывают не одно значение напряжения, а диапазон: 125..135, 220..230, 230..240В и т.д. Если напряжение в вашей квартирной цепи превышает указанные значение, то лампа будет перегорать быстрее, поэтому при напряжении 230В нельзя выбирать лампочку с параметрами 215..220В. Так, если напряжение выше всего на 6%, срок службы уменьшится вдвое.
2. Вибрации. В условиях вибраций нить накала быстрее растрачивает свой ресурс, поэтому при пользовании переносными устройствами лучше осуществлять перемещения с выключенной лампочкой.
3. Патрон. Если вы заметили, что лампочки чаще всего перегорают в одном и том же патроне, тогда следует заменить его или же проверить контакты. Также следует ставить в люстру с несколькими патронами лампы одинаковые по мощности.
4. Понижение напряжения. Если понизить напряжение в сети всего на 8%, лампочка будет служить в 3,5 раза дольше. Для понижения можно подключить последовательно с лампой полупроводниковый диод.

Самая долгогорящая лампочка накаливания имеет название «Столетняя лампа», находится она в пожарной части в Ливерморе (Калифорния). За счет работы на очень низкой мощности (4 ватта), толстой нити накала из углерода (в 8 раз толще, чем в обычных лампочках нашего времени), а также бесперебойному использованию без выключений и включений она работает там с 1901 года.

Как подключить лампу накаливания через диод

Чтобы продлить срок службы лампочки (а заодно и сэкономить на электричестве) можно подключить ее через диод. При выборе диода необходимо обратить внимание на такие его параметры, как максимальный прямой ток (+ в импульсе) и максимальное обратное напряжение. Чтобы облегчить задачу и не просчитывать все параметры, приведем табличку:

Для сборки конструкции понадобится:

• 1 работающая лампочка Е27
• 1 неработающая лампочка Е27 (или цоколь от нее);
• диод;
• паяльник.

Процесс сборки . Припаиваем диод к пятачку на цоколе рабочей лампочки. Аккуратно отделяем цоколь от сгоревшей лампочки, делаем в нем отверстие и продеваем сквозь него вторую «ножку» диода. Выведенный конец припаиваем к месту выведения, затем спаиваем между собой оба цоколя.

Более простой способ: подсоединить диод одним концом к клемме выключателя, а другим – к проводу, который ведет к лампочке.

Как диод продлевает срок службы лампочки накаливания?

В большинстве случаев нить накала перегорает в момент подачи питания (включения тумблера) из-за слишком быстрого нагревания холодной спирали. Полупроводниковый диод уменьшает ток и позволяет вольфраму нагреваться постепенно, с меньшей скоростью. Лампочка начинает заметно мерцать, так как ток проходит полуволнами.

Несмотря на активное наступление энергосберегающих лампочек, лампы накаливания так и остаются на сегодняшний день самым распространенным источником света. Принципиальная конструкция электрической лампы накаливания не меняется уже более 100 лет и состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей тонкую спираль нити накала от воздействия окружающей среды. Принцип работы ламп накаливания основан на оптическом излучении, получаемом от разогретого до высокой температуры проводника, находящегося в инертной среде.

История

Первый электрический источник света – электрическая дуга была зажжена в 1802 г русским ученым В.В. Петровым. В качестве источника тока он использовал огромную аккумуляторную батарею из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров использовал пару угольных стержней, подключенных к разным полюсам гальванической батареи. При сближении концов стержней на близкое расстояние, происходил пробой воздушного промежутка электрическим разрядом, концы стержней при этом раскалялись добела, и между ними появилась огненная дуга. Использовать такую лампу было тяжело - угольные стержни сгорали быстро и неравномерно, а дуга выдавала слишком жаркий и яркий свет.

Александр Николаевич Лодыгин в 1872 году подал заявку, а затем получил патент (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал сначала в России, а затем также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В 1875 г лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге, который удостоился чести стать первым в мире магазином с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. Лампочки Лодыгина служили около двух месяцев, пока не сгорали угольки (в новой лампе Лодыгина таких угольков было четыре -когда один уголек перегорал, на его место заступал другой).

Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» - «русский свет».

Тем не менее изобретателем современной электрической лампочики называют Томаса Эдисона. 1 января 1880 г. в Менло-Парке (США) была проведена демонстрация электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном, на которой присутствовали три тысячи человек. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования: он добился значительно удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая.

Эдисоном был сконструирова всем известный резьбовой цоколь современных ламп, который назван в его честь. В наши дни от полного названия сохранилась только первая буква "E" в его обозначении. Кроме того, Эдисон предложил и систему производства и распределения электроэнергии для освещения.

Совершенствование лампы накаливания идет и по сей день. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - сначала из осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Для снижения испарения и повышения прочности начиная с 1910-х годов, металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали. Для того, чтобы испарения металла не оседали на стекле колбы ее стали наполнять азотом или инертными газами.

Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Развитие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накаливания.

Примечание. Почему светится раскаленный металл? Согласно квантовой теории, если электрону любым способом сообщить достаточную энергию, то он перейдет на более высокий энергетический уровень, a через 10 –13 с вернется в исходное основное состояние, испустив при этом фотон. Этим фактом обусловлено не только свечение раскаленного металла, но и «холодная» флюоресценция светляков, в которых электроны возбуждаются за счет энергии расщепления АТФ, а также свечение люминофоров, побывавших на солнце, испускающих зеленый свет в темноте.

Техническая информация

Световая отдача ламп накаливания относительно невысока. Она является самой низкой среди современных электрических ламп и лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Высокая яркость нити накала в сочетании с ее миниатюрными размерами позволяет использовать лампы накаливания в оптических системах и прожекторах. Лампы накаливания обладают широким диапазоном номинальных напряжений и мощностей. Этот вид ламп может работать в широком диапазоне температур окружающей среды, который ограничен лишь термостойкостью материалов, используемых при ее изготовлении (-100...+300°С). Световой поток ламп накаливания регулируется изменением рабочего напряжения, что может быть достигнуто светорегулятором (диммером) любой конструкции.

При этом недостатком является высокая рабочая температура и количество выделяемого при работе тепла. Лампы накаливания чувствительны к попаданию воды, поскольку из-за резкого охлаждения части стеклянной колбы произойдет ее разрушение, и потенциально пожароопасны из-за высокой рабочей температуры.

На сегодняшний день в мире отмечается устойчивая тенденция к снижению доли ламп накаливания в общем объеме осветительных приборов. В профессиональном секторе рынка светотехники развитых стран эта доля уже сегодня не превышает 10%, вытесняясь более экономичными галогенными и светодиодными осветительными устройствами.