Нить накаливания в электрической лампочке. Лампа накаливания. Характеристики ламп накаливания. Принцип работы электрической лампы накаливания

В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:

1. Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
2. Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
3. Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
4. Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.

В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Свечение электрической лампы накаливания обусловлено разогревом вольфрамовой нити, через которую проходит электрический ток. Выбор в пользу вольфрама при изготовлении тела свечения был сделан по той причине, что из многих тугоплавких токопроводящих материалов, он наименее дорогой. Но иногда нить накала электроламп изготавливается из других металлов: осмия и рения.
Мощность лампы зависит от того, какого размера нить используется. То есть, зависит от длины и толщины проволоки. Так у лампы накаливания 100 вт нить будет иметь большую длину, чем у лампы накаливания 60вт.

Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы

Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:

1. Колба. Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
   – высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
   – жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт - 100°C, 40 Вт - 145°C);
   – твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании.
2. Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
3. Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
4. Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
5. Цоколь изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
   — соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
   — служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
   — является одним контактом.

Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.

Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:

Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.

Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.

История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания

За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.
А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.
1854 год – первая практичная лампа. Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.
1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.
1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.
1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.
1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.
1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.
1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.
1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.
1909 год – наполнение колб аргоном.
С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.

Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света

Для освещения создана . Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:

1. Дешевизна при производстве.
2. Нечувствительность к перепадам напряжения.
3. Быстрое зажигание.
4. Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
5. Наличие возможности регулировки яркости источника света.
6. Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
7. Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
8. Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
9. Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
10. Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
11. Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
12. Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
13. Бесшумность работы.
14. Не создаёт радиопомех.

Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:

1. Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
2. Короткий срок службы.
3. Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
4. Чувствительность к встряске и вибрации.
5. Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
6. Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.

Несмотря на наличие существенных недостатков, электрическая лампа накаливания является безальтернативным прибором освещения. Низкий КПД компенсируется дешевизной производства. Поэтому в ближайшие 10 – 20 лет она будет вполне востребованным товаром.

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.

Современный рынок осветительных приборов сегодня представлен не только разнообразными светильниками, но и источниками света. Одними из самых старых лампочек современности являются лампы накаливания (ЛН).

Даже беря во внимание то, что сегодня существуют более совершенные источники света, лампы накаливания все еще широко используются людьми для освещения различного рода помещений. Здесь мы рассмотрим такой важный параметр данных ламп, как температура нагрева при работе, а также цветовая температура.

Особенности источника света

Лампы накаливания представляют собой самый первый источник электрического света, который был изобретен человеком. Данная продукция может иметь разную мощность (от 5 до 200 Вт). Но наиболее часто используются модели на 60 Вт.

Обратите внимание! Самый большой минус ламп накаливания – высокое потребление электроэнергии. Из-за этого с каждым годом уменьшается число ЛН, которые активно используются в качестве источника света.

Перед тем, как приступать к рассмотрению таких параметров, как температура нагрева и цветовая температура, необходимо разобраться в конструкционных особенностях подобных ламп, а также в принципе ее работы.
Лампы накаливания в ходе своей работы преобразует электрическую энергию, проходящую по вольфрамовой нити (спирали) в световую и тепловую.
На сегодняшний день излучение, по своей физической характеристике, делится на два типа:

Устройство лампы накаливания

• тепловое;
• люминесцентное.

Под тепловым, которое характерно для ламп накаливания, подразумевается световое излучение. Именно на тепловом излучении основано свечение электрической лампочки накаливания.
Лампы накаливания состоят из:

• стеклянной колбы;
• тугоплавкой вольфрамовой нити (часть спирали). Важный элемент всей лампы, так как при повреждении нити лампочка перестает светиться;
• цоколя.

В процессе работы таких ламп происходит повышение t0 нити из-за прохождения через нее электрической энергии в виде тока. Чтобы избежать быстрого перегорания нити в спирали, из колбы выкачивают воздух.
Обратите внимание! В более продвинутых моделях ламп накаливания, коими является галогеновые лампочки, вместо вакуума в колбе закачан инертный газ.
Установка вольфрамовой нити происходит в спираль, которая закреплена на электродах. В спирали нить находится посередине. Электроды, к которым происходит установка спирали и вольфрамовой нити, соответственно, припаиваются к разным элементам: один к металлической гильзе цоколя, а второй – к металлической контактной пластине.
В результате такой конструкции электрической лампочки, ток, проходя через спираль, вызывает нагрев (повышение t0 внутри колбы) нити, так как он преодолевает ее сопротивление.

Принцип работы лампочки

Работающая лампа накаливания

Нагрев ЛН во время работы происходит из-за конструкционных особенностей источника света. Именно из-за сильного нагрева во время работы время эксплуатации ламп значительно уменьшается, что делает их сегодня не такими выгодными. При этом из-за нагрева нити происходит повышение t0 самой колбы.

Принцип работы ЛН основывается на преобразовании электрической энергии, которая проходит через нити спирали, в световое излучение. При этом температура разогретой нити может достигать 2600- 3000 оС.

Обратите внимание! Температура плавления для вольфрама, из которого изготовлены нити спирали, составляет 3200-3400 °С. Как видим, в норме температура нагрева нити не может привести к началу процесса плавления.

Спектр ламп при таком строении заметно отличается от спектра дневного света. Для такой лампы спектр излучаемого света будет характеризоваться преобладанием красных и желтых лучей.
Стоит отметить, что колбы у более современных моделей ЛН (галогеновых) не вакуумируются, а также не содержат в своем составе спиральной нити. Вместо нее внутрь колбы закачивают инертные газы (аргон, азот, криптон, ксенон и аргон). Такие конструкционные усовершенствования привели к тому, что температура нагрева колбы во время работы несколько уменьшилась.

Преимущества и недостатки источника света

Несмотря на то, что сегодня рынок источников света изобилует самыми разнообразными моделями, лампы накаливания на нем встречаются еще достаточно часто. Здесь можно найти изделия на различное количество Вт (от 5 до 200 Вт и выше). Самыми востребованными лампочками являются от 20 до 60 Вт, а также 100 Вт.

Ассортимент выбора

ЛН продолжают достаточно широко использоваться потому, что у них имеются свои преимущества:

• при включении зажигание света происходит практически мгновенно;
• небольшие габариты;
• низкая стоимость;
• модели, внутри колбы которых имеется только вакуум, являются экологически чистой продукцией.

Именно такие достоинства и обусловили то, что ЛН еще являются достаточно востребованными в современном мире. В домах и на производстве сегодня легко можно встретить представителей данной осветительной продукции на 60 Вт и выше.
Обратите внимание! Большой процент использования ЛН относится к промышленности. Зачастую здесь используются мощные модели (200 Вт).
Но лампы накаливания имеют и достаточно внушительный перечень недостатков, к которым можно отнести:

• наличие слепящей яркости света, исходящего от ламп в процессе работы. В результате этого требуется использование специальных защитных экранов;
• во время работы наблюдается нагревание нити, а также самой колбы. Из-за сильного нагрева колбы при попадании на ее поверхность даже незначительного количества воды, возможен взрыв. Причем нагревание колбы происходит у всех лампочек (хоть на 60 Вт, хоть ниже или выше);

Обратите внимание! Увеличение нагрева колбы еще несет в себе определенную степень опасности травмироваться. Повышенная температура стеклянной колбы, при прикосновении к ней незащищенными участками кожи, может вызвать ожог. Поэтому такие лампы не стоит ставить в те светильники, к которым может легко дотянуться ребенок. Кроме этого повреждение стеклянной колбы может вызвать порезы или спровоцировать другие травмы.

Накал вольфрамовой нити

• высокое потребление электроэнергии;
• при выходе из строя не поддаются ремонту;
• низкий срок эксплуатации. Лампы накаливания быстро выходят из строя по причине того, что в момент включения или выключения света нить спирали может повредиться из-за частого нагрева.

Как видим, использование ЛН несет в себя гораздо больше минусов, чем плюсов. Самыми главными недостатками лап накаливания считается нагрев из-за повышения температуры внутри колбы, а также высокое потребление электроэнергии. Причем это касается всех вариантов ламп с мощностью от 5 до 60 Вт и выше.

Важные параметры оценки

Одним из наиболее важных параметров работы ЛН является световой коэффициент. Этот параметр имеет вид отношения мощности излучения видимого спектра и мощности потребленной электроэнергии. Для данной продукции это достаточно малая величина, которая не превышает 4%. То есть, для ЛН характерна низкая светоотдача.
К другим важным параметрам работы можно отнести:

• световой поток;
• цветовая t0 или цвет свечения;
• мощность;
• срок службы.

Рассмотрим первые два параметра, так как со сроком службы мы разобрались в предыдущем пункте.

Световой поток

Световой поток представляет собой физическую величину, которая определяет количество световой мощности в конкретном потоке излучения света. Кроме этого здесь имеется еще один важный аспект, как световая отдача. Она определяет для лампы отношение излучаемого лампочкой светового потока к мощности, которую она потребляет. Световая отдача измеряется в лм/Вт.

Обратите внимание! Световая отдача служит показателем экономичности и эффективности источников света.

Таблица светового потока и световой отдачи ламп накаливания

Как видим, для нашего источника света вышеперечисленные величины находятся на низком уровне, что свидетельствует об их небольшой эффективности.

Цвет свечения лампочек

Цветовая температура (t0) также является важным показателем.
Цветовая t0 представляет собой характеристику хода интенсивности светового излучения лампочки и является функцией длины волны, определенной для оптического диапазона. Данный параметр измеряется в кельвинах (К).

Цветовая температура для лампы накаливания

Стоит отметить, что цветовая температура для ЛН находится примерно на уровне 2700 К (для источников света с мощностью от 5 до 60 Вт и выше). Цветовая t0 ЛН находится в красной и тепловой оттеночной области видимого спектра.
Цветовая t0 полностью соответствует степени нагревания вольфрамовой нити, что не дает возможность ЛН быстро выйти из строя.

Обратите внимание! Для других источников света (например, светодиодные лампочки) цветовая температура не отображает степень их прогрева. При параметре нагрева ЛН в 2700 К светодиод прогреется всего лишь на 80ºС.

Таким образом, чем больше будет мощность ЛН (от 5 до 60 Вт и выше), тем больше будет происходить нагревание вольфрамовой нити и самой колбы. Соответственно, тем больше будет цветовая t0. Ниже приведена таблица, по которой можно сравнить эффективность и потребление мощности разных видов лампочек. В качестве группы контроля, с которой ведется сравнение, здесь взяты ЛН мощностью от 20 до 60 и до 200 Вт.

Сравнительная таблица мощностей разных источников света

Как видим, лампы накаливания по данному параметру значительно проигрывают в плане потребления мощности другим источникам света.

Светотехника и цвет свечения

В светотехнике важнейшим параметром для источника света является его цветовая t0. Благодаря ей можно определить цветовую тональность и цветность источников света.

Варианты цветовой температуры

Цветовая t0 лампочек определяется цветовой тональностью и бывает трех видов:

• холодной (от 5000 до 120000К);
• нейтральной (от 4000 до 50000К);
• теплой (от 1850 до 20000К). Его дает стеариновая свеча.

Обратите внимание! Рассматривая цветовую температуру ЛН, следует помнить, что она не совпадает с реальной тепловой температурой изделия, которая ощущается при прикосновении к ней рукой.

Для ЛН цветовая температура располагается в диапазоне от 2200 до 30000К. Поэтому они могут иметь излучение, близкое к ультрафиолетовому.

Заключение

Для любых типов источников света важным параметром оценки является цветовая температура. При этом для ЛН она служит отражением степени нагрева изделия в процессе его работы. Такие лампочки характеризуются повышением температуры нагрева в ходе функционирования, что служит явным недостатком, которого лишены современные источники света, такие как светодиодные лампочки. Поэтому сегодня многие отдают свое предпочтение люминесцентным и светодиодным лампочкам, а лампы накаливания постепенно уходят в прошлое.

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.

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