Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.

Принцип действия

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

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

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

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

Конструкция

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

Колба

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

Буферный газ

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

Нить накала

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

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

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

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

Цоколь

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

Предохранитель

Плавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

КПД и долговечность

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

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

Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.

Галогенные лампы

Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

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

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

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

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

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

Специальные лампы

Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.

Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.

История изобретения

В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампочкой.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд

Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В конце-концов он возвращается к угольному волокну и создаёт лампочку с временем жизни 40 часов. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампочки вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.

В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 г. Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 г. в фирме General Electric , придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Лампа накаливания - источник света, который излучает световой поток в результате накала проводника из тугоплавкого металла. В качестве нити накала используется тугоплавкий металл - вольфрам, а также его сплавы. Нить накала помещена в стеклянный сосуд, наполненный инертным газом (криптоном, азотом, аргоном). Инертный газ служит защитой нити накаливания, которая без его присутствия в колбе мгновенно превратилась бы в оксид. Для ламп накаливания малой мощности (25 ватт) применяют вакуумные сосуды, которые не заполняются инертным газом. Следовательно, стеклянная колба препятствует негативному воздействию атмосферного воздуха на вольфрамовую нить.

Принцип действия лампы накаливания основан на явлении нагрева проводника при прохождении через него электрического тока. Вольфрамовая нить накала при подключении к источнику тока раскаляется до высокой температуры, в результате чего излучает свет. Световой поток, излучаемый нитью накала, близок к естественному, дневному свету, поэтому не вызывает дискомфорта при длительном использовании.

Достоинства и недостатки ламп накаливания

Из достоинств ламп накаливания можно выделить следующее:

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

Один из недостатков ламп накаливания - большая яркость самой лампы, что негативно воздействует на зрение при взгляде на лампу. Но этот недостаток можно быстро устранить - достаточно применить рассеиватель.

Существенный недостаток - небольшой срок службы лампы - до 1000 часов. Исходя из опыта использования ламп, можно отметить, что в большинстве случаев лампа накаливания выходит из строя, не прослужив и нескольких сотен часов. Бывают и исключения - лампы работают несколько десятков лет! К сожалению это лишь единичные случаи. Относительно срока службы, как , так и светодиодные лампы выигрывают.

Если учесть тот факт, что характеристики питающей сети не соответствуют номинальным - срок службы ламп существенно снижается независимо от их типа. Делать выводы о целесообразности использования того или иного типа ламп можно только на основании личного опыта.

Основным недостатком ламп накаливания является низкий коэффициент полезного действия. Только лишь десятая часть потребляемой лампой электрической энергии преобразуется в видимый световой поток; большинство электрической энергии преобразуется в тепловую энергию.

Среди всех электроустановочных и электромонтажных изделий осветительная аппаратура имеет наиболее богатый ассортимент. Это происходит потому, что элементы освещения несут в себе не только сугубо технические характеристики, но и элементы дизайна. Возможности современных ламп и светильников, их конструкторское разнообразие настолько велики, что немудрено растеряться. Например, существует целый класс светильников, предназначенных исключительно для гипсокартонных потолков.

Многочисленные виды ламп имеют различную природу света и эксплуатируются в неодинаковых условиях. Чтобы разобраться, какого типа лампа должна стоять в том или ином месте и каковы условия ее подключения, необходимо вкратце изучить основные виды осветительной аппаратуры.

У всех ламп есть одна общая часть: цоколь, при помощи которого они соединяются с проводами освещения. Это касается тех ламп, в которых есть цоколь с резьбой для крепления в патроне. Размеры цоколя и патрона имеют строгую классификацию. Необходимо знать, что в бытовых условиях применяют лампы с 3 видами цоколей: маленьким, средним и большим. На техническом языке это означает Е14, Е27 и Е40. Цоколь, или патрон, Е14 часто называют «миньон» (в gер. с фр. - «маленький»).

Самый распространенным размер - Е27. Е40 используют при уличном освещении. Лампы этой маркировки имеют мощность 300, 500 и 1000 Вт. Цифры в названии обозначают диаметр цоколя в миллиметрах. Помимо цоколей, которые вкручиваются в патрон при помощи резьбы, есть и другие виды. Они штырькового типа и называются G-цоколями. Используются в компактных люминесцентных и галогенных лампах для экономии места. При помощи 2 или 4 штырьков лампа крепится в гнезде светильника. Видов G-цоколей много. Основные из них: G5, G9, 2G10, 2G11, G23 и R7s-7. На светильниках и лампах всегда указывается информация о цоколе. При выборе лампы необходимо сравнивать эти данные.

Мощность лампы - одна из важнейших характеристик. На баллоне или цоколе производитель всегда указывает мощность, от которой зависит светимость лампы . Это не уровень света, который она излучает. В лампах различной природы света мощность имеет совершенно несхожее значение.

Например, энергосберегающая лампа при указанной мощности 5 Вт будет светить не хуже лампы накаливания в 60 Вт. То же касается и люминесцентных ламп . Светимость лампы исчисляется в люменах. Как правило, это не указывается, так что при выборе лампы необходимо ориентироваться на советы продавцов.

Светоотдача обозначает, что на 1 Вт мощности лампа дает столько-то люмен света. Очевидно, что энергосберегающая компактная люминесцентная лампа в 4–9 раз экономичнее, нежели накаливания. Можно легко подсчитать, что стандартная лампа в 60 Вт дает примерно 600 лм, тогда как компактная имеет такое же значение при мощности 10–11 Вт. Настолько же она будет экономичнее по энергопотреблению.

Лампы накаливания

(ЛОН) - самый первый источник электрического света, который появился в домашнем обиходе. Она была изобретена еще в середине 19 в., и хотя с того времени претерпела немало реконструкций, сущность осталась без изменений. Любая лампа накаливания состоит из вакуумного стеклянного баллона, цоколя, на котором располагаются контакты и предохранитель, и нити накаливания, излучающей свет.

Спираль накаливания сделана из вольфрамовых сплавов, которые легко выдерживают рабочую температуру горения +3200 °C. Чтобы нить мгновенно не перегорела, в современных лампах накачивают в баллон какой-нибудь инертный газ, например аргон.

Принцип работы лампы очень прост. При пропускании тока через проводник малого сечения и низкой проводимости часть энергии уходит на разогрев спирали-проводника, отчего тот начинает светиться в видимом свете. Несмотря на столь простое устройство, видов ЛОН существует огромное множество. Они различаются по форме и размерам.

Декоративные лампы (свечи): баллон имеет вытянутую форму, стилизованную под обычную свечу. Как правило, используются в небольших светильниках и бра.

Окрашенные лампы : стекла баллонов имеют различный цвет с декоративными целями.

Зеркальными лампами называют лампы, часть стеклянного баллона которых покрыта отражающим составом для направления света компактным пучком. Такие лампы чаще всего используют в потолочных светильниках, чтобы направлять свет вниз, не освещая потолка.

Лампы местного освещения работают под напряжением 12, 24 и 36 В. Они потребляют немного энергии, но и освещение соответствующее. Применяются в ручных фонарях, аварийном освещении и т. д. ЛОН по-прежнему остаются в первых рядах источника света, несмотря на некоторые недостатки. Их минусом является очень низкий КПД - не более 2–3 % от потребляемой энергии. Все остальное уходит в тепло.

Второй минус заключается в том, что ЛОН небезопасны с противопожарной точки зрения. Например, обычная газета, если ее положить на лампочку в 100 Вт, вспыхивает примерно через 20 мин. Надо ли говорить, что в некоторых местах ЛОН нельзя эксплуатировать, например в маленьких абажурах из пластика или дерева. Кроме того, такие лампы недолговечны. Срок службы ЛОН составляет примерно 500–1000 ч. К числу плюсов можно отнести дешевизну и простоту монтажа. ЛОН не требуют каких-либо дополнительных устройств для работы, подобно люминесцентным.

Галогенные лампы

Галогенные лампы мало чем отличаются от ламп накаливания, принцип работы тот же. Единственная разница между ними - это газовый состав в баллоне. В данных лампах к инертному газу примешивают йод или бром. В результате становится возможным повышение температуры нити накаливания и уменьшение испарения вольфрама.

Именно поэтому галогенные лампы можно делать более компактными, а срок их службы повышается в 2–3 раза. Однако температура нагревания стекла повышается весьма значительно, поэтому галогенные лампы делают из кварцевого материала. Они не терпят загрязнений на колбе. Прикасаться незащищенной рукой к баллону нельзя - лампа перегорит очень быстро.

Линейные галогенные лампы используются в переносных или стационарных прожекторах. В них часто бывают датчики движения. Такие лампы используют в гипсокартонных конструкциях.

Компактные осветительные устройства имеют зеркальное покрытие.

К минусам галогенных ламп можно отнести чувствительность к перепадам напряжения. Если оно «играет», лучше приобрести специальный трансформатор, выравнивающий силу тока.

Люминесцентные лампы

Принцип работы люминесцентных ламп серьезно отличается от ЛОН. Вместо вольфрамовой нити в стеклянной колбе такой лампы горят пары ртути под воздействием электрического тока. Свет газового разряда практически невидим, поскольку излучается в ультрафиолете. Последний заставляет светиться люминофор, которым покрыты стенки трубки. Этот свет мы и видим. Внешне и по способу соединения люминесцентные лампы также сильно отличаются от ЛОН. Вместо резьбового патрона с обеих сторон трубки есть два штырька, закрепляющихся следующим образом: их надо вставить в специальный патрон и повернуть в нем.

Люминесцентные лампы имеют низкую рабочую температуру. К их поверхности можно без опаски прислонять ладонь, поэтому они устанавливаются где угодно. Большая поверхность свечения создает ровный рассеянный свет. Именно поэтому их еще называют лампами дневного света . Кроме того, варьируя состав люминофора, можно изменять цвет светового излучения, делая его более приемлемым для человеческих глаз. По сроку службы люминесцентные лампы превосходят лампы накаливания почти в 10 раз.

Минусом люминесцентных ламп является невозможность прямого подключения к электросети. Нельзя просто накинуть 2 провода на торцы лампы и воткнуть вилку в розетку. Для ее включения используются специальные балласты. Связано это с физической природой свечения ламп. Наряду с электронными балластами используются стартеры, которые как бы поджигают лампу в момент включения. Большинство светильников под люминесцентные лампы оборудованы встроенными механизмами свечения наподобие электронных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) или дросселями.

Маркировка люминесцентных ламп не похожа на простые обозначения ЛОН, имеющие только показатель мощности в ваттах.

Для рассматриваемых ламп она следующая:

• ЛБ - белый свет;
• ЛД - дневной свет;
• ЛЕ - естественный свет;
• ЛХБ - холодный свет;
• ЛТБ - теплый свет.

Цифры, идущие за буквенной маркировкой, обозначают: первая цифра - степень цветопередачи, вторая и третья - температуру свечения. Чем выше степень цветопередачи, тем более естественно освещение для человеческого глаза. Рассмотрим пример, относящийся к температуре свечения: лампа с маркировкой ЛБ840 означает, что эта температура равна 4000 К, цвет белый, дневной.

Следующие значения расшифровывают маркировку ламп:

• 2700 К - сверхтеплый белый,
• 3000 К - теплый белый,
• 4000 К - естественный белый или белый,
• более 5000 К - холодный белый (дневной).

В последнее время появление на рынке компактных люминесцентных энергосберегающих ламп произвело настоящую революцию в светотехнике. Были устранены главные недостатки люминесцентных ламп - их громоздкие размеры и невозможность использовать обычные нарезные патроны. ПРА были вмонтированы в ламповый цоколь, а длинная трубка свернулась в компактную спираль.

Теперь разнообразие видов энергосберегающих ламп очень велико. Они различаются не только по своей мощности, но и по форме разрядных трубок. Плюсы такой лампы очевидны: нет нужды устанавливать электронный балласт для запуска, пользуясь специальными светильниками.

Экономичная люминесцентная лампа пришла на смену обычной лампе накаливания. Однако у нее, как и у всех люминесцентных ламп, есть недостатки.

Минусов у люминесцентных ламп несколько:

• такие лампы плохо работают при низких температурах, а при –10 °C и ниже начинают светить тускло;
• долгое время запуска - от нескольких секунд до нескольких минут;
• слышен низкочастотный гул от электронного балласта;
• не работают вместе со светорегуляторами;
• сравнительно дорогие;
• не любят частого включения и выключения;
• в состав лампы входят вредные ртутные соединения, поэтому она требует специальной утилизации;
• если использовать в выключателе индикаторы подсветки, данная осветительная аппаратура начинает мерцать.

Как бы ни старались производители, свет люминесцентных ламп пока не очень похож на естественный и режет глаза. Кроме энергосберегающих ламп с ПРА существует множество разновидностей без встроенного электронного балласта. Они имеют совершенно другие виды цоколя.

Принцип свечения дуговой ртутной лампы высокого давления (ДРЛ) - дуговой разряд в парах ртути. Такие лампы обладают высокой светоотдачей - на 1 Вт приходится 50–60 лм. Запускаются при помощи ПРА. Недостатком является спектр свечения - их свет холоден и резок. Лампы ДРЛ чаще всего используются для уличного освещения в светильниках типа «кобра».

Светодиодные лампы

Светодиодные лампы - этот продукт высокой технологии впервые был сконструирован в 1962 г. С той поры светодиодные лампы стали постепенно внедряться на рынок осветительной продукции. Светодиод по принципу действия - это самый обычный полупроводник, у которого часть энергии в переходе p-n сбрасывается в виде фотонов, то есть видимого света. Такие лампы имеют просто потрясающие характеристики.

Они десятикратно превосходят ЛОН по всем показаниям:

• долговечности,
• светоотдаче,
• экономичности,
• прочности и т. д.

Есть у них лишь одно «но» - это цена. Она приблизительно в 100 раз превосходит цену обычной лампы накаливания. Однако работа над этими необычными источниками света продолжается, и можно ожидать, что вскоре мы будем радоваться изобретению более дешевого, нежели его предшественники, образца.

Примечание! Ввиду необычных физических характеристик светодиодов из них можно изготавливать настоящие композиции, например в виде звездного неба на потолке комнаты. Это безопасно и не требует больших затрат энергии.

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!

Этот металл называется вольфрам. Он был открыт в конце 1781 году шведским химиком Шееле, и в течение всего 19 века ученые активно исследовали его. Сегодня человечество знает достаточно, чтобы успешно использовать вольфрам и его соединения в разных отраслях промышленности.

Вольфрам обладает переменной валентностью, что связано с особым расположением электронов на атомных орбиталях. Этот металл обычно имеет серебристо-белый цвет и обладает характерным блеском. Внешне напоминает платину.

Вольфрам можно отнести к неприхотливым металлам. Его не растворит ни одна щелочь. Даже сильные кислоты, такие как соляная , не подействуют на него. По этой причине из вольфрама изготавливают электроды, используемые при гальванизации и электролизе.

Вольфрам и лампы накаливания

Почему же нить в лампах накаливания делают именно из вольфрама? Все дело в его уникальных физических свойствах. Ключевую роль здесь играет температура плавления, которая составляет около 3500 градусов Цельсия. Это на порядок выше, чем у многих металлов, часто используемых в промышленности. Например, алюминий плавится при 660 градусах.

Электрический ток, проходя через нить накаливания, нагревает ее до 3000 градусов. Выделяется большое количество тепловой энергии, которая бесполезно расходуется в окружающее пространство. Из всех известных науке металлов только вольфрам способен выдержать столь высокую температуру и не расплавиться, в отличие от того же алюминия. Неприхотливость вольфрама позволяет служить лампочкам в домах довольно долго. Однако, по прошествии некоторого времени нить рвется, и лампа выходит из строя. Почему так происходит? Все дело в том, что под воздействием очень высокой температуры при прохождении тока (около 3000 градусов), вольфрам начинает испаряться. Тонкая нить лампы со временем становится еще тоньше, пока не порвется.

Чтобы расплавить образец вольфрама используют электронно-лучевую или аргонную плавку. С помощью этих методов можно с легкостью нагреть металл до 6000 градусов Цельсия.

Получение вольфрама

Получить качественный образец этого металла довольно трудно, но сегодня ученые с блеском справляются с этой задачей. Было разработано несколько уникальных технологий, позволяющих выращивать монокристаллы вольфрама, огромные вольфрамовые тигли (весом до 6 кг). Последние широко применяются для получения дорогих сплавов.