Много разговоров и необоснованных споров стоит вокруг этого вопроса. Кто изобрел лампу накаливания? Одни утверждают, что это Лодыгин, другие, что Эдисон. Но все куда сложнее, давайте разберемся с хронологией исторических событий.

Существует множество методов трансформации электрической энергии в световую. К ним относятся лампы дугового принципа действия, газоразрядного и те, где источником свечения является нагревательная нить. Фактически лампочку накаливания тоже можно считать искусственным источником освещения, поскольку для ее работы применяется эффект нагреваемого проводника, через который проходит ток. В качестве накаливаемого элемента чаще всего выступает металлическая спираль или угольная нить. Помимо проводника в конструкцию лампочки входит колба, токоввод, предохранитель и цоколь. Однако всё это мы знаем уже сейчас. А ведь не так давно было время, когда несколько учёных вели одновременные разработки в области искусственных источников света и боролись за звание изобретателя лампочки.

Хронология изобретения

Читая всю статью снизу, очень удобно посматривать на эту таблицу:

Если вы хотите действительно разобраться, то настоятельно рекомендуем прочитать статью целиком.

Первые преобразования энергии в свет

В XVIII веке произошло знаменательное открытие, положившее начало огромной череде изобретений. Был обнаружен электрический ток. На рубеже следующего столетия итальянским учёным Луиджи Гальвани был изобретен способ получения электрического тока из химических веществ – вольтов столб или гальванический элемент. Уже в 1802 году физик Василий Петров открыл электрическую дугу и предложил применять ее в качестве осветительного устройства. Через 4 года королевское общество увидело электрическую лампу Гемфри Дэви, она освещала помещение за счёт искорок между стержнями из угля. Первые дуговые лампы отличались чересчур высокой яркостью и ценой, что делало их непригодными для ежедневного использования.

Лампа накаливания: прототипы

Первые разработки осветительных ламп с накаливаемыми элементами начались в середине 19-ого века. Так, в 1838 году бельгийский изобретатель Жобар представил проект лампы накаливания с угольным сердечником. Хотя время работы этого устройства не превышало получаса, оно являло собой свидетельство технологического прогресса в данной области. В 1840 -м году, Уоррен де ла Рю, английский астроном, произвёл лампочку с платиновой спиралью, первую в истории электротехники лампу с накаливаемым элементом в виде спирали. Изобретатель пропустил электрический ток через вакуумную трубку с помещенным в нее мотком платиновой проволоки. В результате нагревания платина излучала яркое свечение, а практически полное отсутствие воздуха позволяло использовать устройство в любых температурных условиях. Из-за дороговизны платины в коммерческих целях применять такую лампу было нелогично, даже с учётом её эффективности. Однако в дальнейшем именно образец этой лампочки стали считать предком других ламп накаливания. Уоррен де ла Рю спустя несколько десятилетий (в 1860 -х) принялся активно изучать феномен газоразрядного свечения под воздействием тока.

В 1841 году англичанин Фредерик де Молейн запатентовал лампы, представлявшие собой колбы с платиновой нитью, наполненные углеродом. Однако, проведенные им в 1844 г. испытания в отношении проводников, не увенчались успехом. Это было связано с быстрым плавлением платиновой нити. В 1845 году уже другой учёный, Кинг, заменил платиновые элементы накаливания на угольные палочки и получил на свое изобретение патент. В эти же годы за океаном, в США, Джон Старр запатентовал лампочку с вакуумной сферой и углеродной горелкой.

В 1854 -м году немецкий часовщик Генрих Гёбель придумал устройство, считающееся прототипом современных лампочек. Он продемонстрировал её на электротехнической выставке в США. Она представляла собой вакуумную лампу накаливания, которая действительно годилась для применения в самых различных условиях. В качестве источника света Генрих предложил использовать бамбуковую нить, которая была обуглена. Взамен колбы учёный брал простые бутылочки от туалетной воды. Вакуум в них создавался за счёт добавления и выливания ртути из колбы. Недостатком изобретения являлась излишняя хрупкость и время работы всего на несколько часов. В годы активной исследовательской жизни Гёбель не смог встретить должного признания в обществе, но в 75 лет он был назван изобретателем первой практичной лампы накаливания на основе угольной нити. Кстати, именно Гёбель впервые воспользовался осветительными проборами в рекламных целях: он ездил по Нью-Йорку на телеге, украшенной лампочками. На издали привлекающей внимание коляске была установлена подзорная труба, через которую ученый позволял за некоторую плату взглянуть на звёздное небо.

Первые результаты

Наиболее эффективные результаты в области получения вакуумной лампочки были достигнуты известным химиком и физиком из Англии – Джозефом Суоном (Своном). В 1860 годе он получил патент на своё изобретение, хотя лампа работала не слишком долго. Это было связано с использованием углеродной бумаги — она быстро превращалась в крошки после горения.

В середине 70-х гг. 19-го века параллельно со Своном несколько изобретений запатентовал и российский учёный. Выдающийся учёный и инженер Александр Лодыгин изобрёл в 1874 году нитевую лампу, в которой для нагревания использовался угольный стержень. К опытам по изучению осветительных приборов он приступил в 1872 году, находясь в Петербурге. В результате, благодаря банкиру Козлову, было основано общество по эксплуатации лампочек с углём. За своё изобретение учёный получил премию в Академии наук. Эти лампы сразу же стали использоваться для уличного освещения и здания Адмиралтейства.

Алекса́ндр Никола́евич Лоды́гин

Лодыгин также был первым, кто придумал применять закрученные в спираль вольфрамовые или молибденовые нити. К 1890 -м гг. у Лодыгина на руках было несколько разновидностей ламп с накаливаемыми нитями из разных металлов. Он предложил откачивать воздух из лампочки, чтобы процесс окисления шёл медленнее, а значит, срок службы лампы был больше. Первая коммерческая лампа со спиралевидной нитью из вольфрама в Америке производилась в дальнейшем как раз по патенту Лодыгина. Он изобрёл даже лампочки с газом, заполненные угольной нитью и азотом.

Идея Лодыгина в 1875 году была усовершенствована другим русским механиком-изобретателем Василием Дидрихсоном. Он изготавливал угольки, обугливая древесные цилиндрики в графитовых тиглях. Именно он первым сумел осуществить откачку воздуха и установил в лампочку более одной нити, чтобы при перегорании происходила замена. Выпущена такая лампа была под руководством Кона, а освещать ею стали большой магазин белья и подводные кессоны во время строительства моста в Петербурге. В 1876 году лампу усовершенствовал Николай Павлович Булыгин. Учёный накаливал только один конец уголька, который постоянно выдвигался в процессе обгорания. Тем не менее, устройство было сложным и дорогим.

В 1875-76 гг. электротехник Павел Яблочков, создавая электрическую свечу, обнаружил, что каолин (разновидность белой глины) под воздействием высокой температуры хорошо проводит электричество. Он изобрёл каолиновую лампочку с нитью накаливания из соответствующего материала. Отличительной особенностью этой лампы является тот факт, что для её работы не требовалось помещать каолиновую нить в вакуумную колбу – она сохраняла работоспособность при контакте с воздухом. Созданию лампочки предшествовала долгая работа учёного над дуговыми лампочками в Париже. Однажды Яблочков посещал местное кафе и, наблюдая за расставлением столовых приборов официантом, пришёл к новой идее. Угольные электроды он решил располагать параллельно друг другу, а не горизонтально. Существовала, правда, опасность, что выгорать будет не только дуга, но и токопроводящие зажимы. Дилемму решили за счёт добавления изолятора, постепенно выгоравшего вслед за электродами. Этим изолятором и стала белая глина. Чтобы лампочка загоралась, между электродами разместили перемычку из угля, а неравномерное сгорание самих электродов было сведено к минимуму за счёт использования генератора переменного тока.

Своё изобретение Яблочков продемонстрировал на технологической выставке в Лондоне в 1876 году. Уже через год один из французов, Денейруз, учредил акционерное общество по исследованию осветительных технологий Яблочкова. Сам учёный слабо верил в будущее лампы накаливания, однако электрические свечи Яблочкова имели огромную популярность. Успех был обеспечен не только низкой ценой, но и продолжительностью горения в 1,5 часа. Благодаря этому изобретению появились фонари с заменой свеч, и улицы стали освещать гораздо лучше. Правда, минусом таких свечей было наличие только переменного потока света. Чуть позже физик из Германии, Вальтер Нернст, разработал лампочку такого же принципа, но нить накаливания сделал из магнезии. Лампа зажигалась только после нагревания нити, для чего использовали сначала спички, а потом электрические нагреватели.

Борьба за патенты

К концу 1870-х гг. свою исследовательскую деятельность начал выдающийся инженер и изобретатель Томас Эдисон, живший в США. В процессе создания лампы он перепробовал разные металлы для нитей накаливания. Изначально учёный полагал, что решение проблемы электрических лампочек можно за счёт автоматического их отключения при высоких температурах. Но эта идея не сработала, так как постоянное выключение холодной лампы приводило лишь к получению непостоянного мерцающего излучения. Существует версия, что в конце 70-х гг. лейтенант русского флота Хотинский привёз несколько лампочек накаливания Лодыгина и показал их Эдисону, что и повлияло на его дальнейшие разработки.

Не останавливаясь на своих достижениях в Англии, Джозеф Суон (Joseph Swan), уже известный на тот момент в научных кругах, в 1878 году запатентовал лампу с угольным волокном. Оно помещалось в разреженную атмосферу с кислородом, поэтому свет выходил очень ярким. Уже через год в Англии появилось электрическое освещение в большинстве домов.

То́мас А́льва Эдисон

Тем временем, Томас Эдисон взял на работу в свою лабораторию Френсиса Аптона. Вместе с ним материалы стали тестировать точнее, и внимание было приковано к недочётам предыдущих патентов. В 1879 г. Эдисоном была запатентована лампочка с платиновой основой, а уже через год учёный создал лампу с угольным волокном и бесперебойным действием на 40 часов. За время работы американец провёл 1,5 тысячи испытаний и смог создать также поворотный выключатель бытового типа. Никаких новых изменений в электрическую лампочку Лодыгина Томас Эдисон в принципе не внёс. Просто из его стеклянной сферы с угольной нитью выкачивалась большая доля воздуха. Важнее то, что американский учёный разработал надсистему для лампочки, изобрел винтовой цоколь, патрон и предохранители, а в последствии организовал массовое производство.

Новые источники света смогли вытеснить газовые, а само изобретение некоторое время называлось лампой «Эдисона-Суона». В 1880 году Томас установил самое верное значение вакуума, которое создавало самое устойчивое безвоздушное пространство. Из лампочки воздух откачивали с помощью ртутного насоса.

К концу 1880 года бамбуковые волокна в лампочках могли гореть около 600 часов. Этот материал из Японии был признан лучшим угольным компонентом органического типа. Поскольку бамбуковые нити стоили довольно дорого, изготавливать их Эдисон предложил из хлопковых волокон, обработанных специальных способов. Первые компании для возведения крупных электрических систем были созданы в Нью-Йорке в 1882 году. В этот период Эдисон даже подавал в суд на Суона по поводу нарушения авторских прав. Но в итоге учёные создали совместную фирму «Edison-Swan United», которая довольно быстро выросла в мирового лидера по производству электрических лампочек.

За свою жизнь Томас Эдисон смог получить 1093 патента. Среди его известных изобретений: фонограф, кинетоскоп, телефонный передатчик. Однажды его спросили, не обидно ли было ошибаться 2 тысячи раз перед созданием лампочки. Учёный ответил: «Я не ошибался, а обнаружил 1 999 способов, как не нужно делать лампочку».

Металлические нити накаливания

На исходе 1890-х гг. стали появляться новые лампочки. Так, нити накаливания Вальтер Нернст предложил делать из особого сплава, в состав которого входили окиси магния, иттрия, тория и циркония. В лампе Ауэра (Карл Ауэр фон Вельсбах, Австрийская республика) излучателем света выступала осмиевая нить, а в лампочке Больтона и Фейерлейна – танталовая. Александр Лодыгин в 1890 году запатентовал лампу накаливания, где применялась быстронакаливаемая нить из вольфрама (было использовано несколько тугоплавким металлов, но именно вольфрам по результатам исследований имел лучшие показатели). Примечательно, что спустя 16 лет он продал все права на своё революционное изобретение промышленному гиганту «General Electric», компании, основанной великим Томасом Эдисоном.

Однако в истории электротехники известно два патента на вольфрамовую лампу – в 1904 году дуэт ученых Шандора Юста и Франьо Ханамана зарегистрировали изобретение, аналогичное лодыгинскому. Спустя год в Австро –Венгрии приступили к массовому выпуску этих ламп. Позднее в «General Electric» стали производить лампочки-колбы с инертными газами. Учёному из этой организации, Ирвингу Ленгмюру, в 1909 году удалось модернизировать изобретение Лодыгина, добавив в неё аргон с целью продлить срок действия и увеличить светоотдачу.

В 1910 году Вильям Кулидж усовершенствовал процессы промышленного изготовления вольфрамовых нитей, после чего начался выпуск ламп не только с элементом накаливания в виде спирали, но и в виде зигзага, двойной и тройной спирали.

Дальнейшие изобретения

• С момента создания первых осветительных электроприборов постоянно проводились изучения свойств газоразрядных ламп, однако вплоть до начала 20-го столетия ученые проявляли к ним слабый интерес. Примером может послужить тот факт, что первейшие примитивные прототипы ртутных ламп были сконструированы в Великобритании еще в 1860-х годах, однако лишь в 1901 году Петер Хьюит изобрёл ртутную лампу низкого давления. Через пять лет в производство вышли аналоги высокого давления. А в 1911 году Жорж Клауди, инженер-химик из Франции, показал миру неоновую лампочку, которая тут же стала центром внимания всех рекламщиков.
• В 1920-40-е гг. были изобретены натриевые лампы, люминесцентные и ксеноновые. Часть из них стали массово производить даже для использования в быту. На сегодняшний день в известно порядка 2 тысяч разновидностей источников света.
• В СССР разговорным названием лампы накаливания стало словосочетание «лампочка Ильича». Именно эта идиома стала родной для крестьян и колхозников во времена всеобщей электрификации. В 1920 г. Владимир Ленин посетил одну из деревень для запуска электростанции, тогда-то и появилось крылатое выражение. Впрочем, изначально данное выражение применялось для обозначения плана по электрификации сельского хозяйства, поселков и деревень. Лампочка Ильича представляла собой патрон, свободно подвешиваемый за провод к потолку и свисающий вниз без плафона. В конструкцию патрона также входил выключатель, а проводка прокладывалась открытым способом по стенам.
• Светодиодные лампы были разработаны в 60-х гг. для промышленных целей. Они имели небольшую мощность и не могли освещать территорию как следует. Однако сегодня именно это направление считается самым перспективным.
• В 1983 г. появились компактные люминесцентные лампочки. Их изобретение было особенно важно в условиях необходимости экономии электроэнергии. К тому же, они не требуют дополнительной пусковой аппаратуры и подходят к стандартным патронам для ламп накаливания.
• Не так давно сразу две фирмы из Америки создали для потребителей флуоресцентные лампы с возможностью очищения воздуха и удаления неприятных запахов. Поверхность их покрыта двуокисью титана, которая, облучаясь, запускает фотокаталитическую реакцию.

Видео как делают лампы накаливания на старых заводах.

Несмотря на развитие энергосберегающей техники, лампы накаливания до сих пор держат лидерство на рынке осветительных приборов.

Как выглядит лампа накаливания

Принцип действия

Действие лампы заключается в существенном нагревании электрическим током нити накала. Чтобы твердое тело начало светиться красным излучением, его температуру надо увеличить до 570 0 С. Оно становится комфортным для глаз при 4-5 кратном увеличении температуры.

Из всех металлов самым тугоплавким является вольфрам (3400 0 С), поэтому в качестве нити накала применяют проволоку из него. Для увеличения площади излучения ее свертывают в спираль, которая в лампе накаливания нагревается до 2000-2800 0 С. При этом цветовая температура составляет 2000-3000К, создавая желтоватый спектр. Он более энергозатратный и тусклый, чем дневной, но комфортный для глаз.

Еще в школьном учебнике приводится эксперимент с увеличением свечения лампы в зависимости от силы электрического тока. По мере его роста происходит выброс излучения и тепла.

В воздушной среде вольфрамовая нить быстро окисляется и разрушается под действием высокой температуры. Раньше в стеклянной колбе создавали вакуум, а сейчас чаще всего применяют инертный газ: азот, аргон, криптон. При этом сила свечения увеличивается. Кроме того, давление газа препятствует испарению вольфрама от температуры свечения.

Строение

Несмотря на видимую простоту изготовления, лампа состоит из 11 элементов. При этом в конструкции применяются 7 различных металлов. Важнейшим элементом является нить накала. Она может быть разных видов: круглой, иметь форму одной или нескольких лент. В связи с разнообразием элементов, где световая энергия получается из электрической, их принято называть телами накала. Колбы в большинстве случаев бывают круглыми или грушевидными, но могут быть других форм.

Виды ламп накаливания

На рисунке ниже изображена конструкция лампы. Внутри располагаются электроды (6), спираль (2) (вольфрам) и крючки (3) (молибден). Цоколи (9) из оцинкованной стали изготавливают в основном резьбовыми еще со времен Эдисона. Диаметры их могут различаться: Е 14 , Е 27 , Е 40 – по величине наружного диаметра. Цоколь также соединяют с патроном посредством штырьков или штифтов. Его тип определяется по маркировке, выбитой на наружной поверхности.

Устройство лампы накаливания

Параметры

• электрические;
• технические (интенсивность и спектральный состав светового потока);
• эксплуатационные (условия применения, размеры, отдача света, срок эксплуатации).

Мощность

Основные характеристики наносятся в виде маркировки. В их число входит мощность, по которой выбирают лампу (60 Вт – наиболее востребованы). Здесь более важна световая характеристика. В таблице приведены характеристики бытовых ламп, из которых следует, что световая энергия от одной лампы интенсивней, чем от нескольких, с той же суммарной мощностью. При этом она обходится дешевле.

Характеристики ламп

Световая энергия расходуется больше на лампах меньшей мощности. Поэтому сэкономить электроэнергию таким образом не получится.

Технические характеристики

Световая энергия от мощности лампы накаливания зависит нелинейно. Отдача света растет с ее повышением, а после 75 Вт начинает снижаться.

Преимуществом ламп накаливания является равномерность освещения. Сила света у них практически одна и та же во все стороны.

Пульсирование света негативно сказывается на утомляемости глаз. Нормальным считается коэффициент пульсации не более 10 % во время занятий мелкой работой. У ламп накаливания он не превышает 4 %, и худший показатель наблюдается у лампы на 40 Вт.

Лампы накаливания нагреваются больше всех остальных. По расходу мощности она больше является обогревателем помещения, а не прибором освещения. Отдача света происходит всего на 5-15 %. С целью экономии электроэнергии использование ламп накаливания на 100 Вт и более запрещено. Лампа на 60 Вт греется не очень сильно, а освещения бывает достаточно на одну комнату.

Если оценивать спектр излучения, то по сравнению с дневным светом в лампах накаливания недостаточно синего света и избыток красного. Но он считается приемлемым, поскольку меньше утомляет глаза по сравнению с лампами дневного света.

Эксплуатационные параметры

Для ламп важны условия, где они применяются. Их можно эксплуатировать в температурном интервале от -60 0 С до +50 0 С, влажности не более 98 % при 20 0 С и давлении не менее 0,75∙10 5 Па. Для них не нужны дополнительные устройства за исключением , которым плавно регулируется отдача света. Лампы дешевы и не требуют никакой квалификации при замене.

К недостаткам относятся: самая низкая надежность, сильный нагрев и низкий КПД.

Виды ламп накаливания

Хотя энергосберегающие источники света обладают лучшими показателями, лампы накаливания остаются на первом месте. Особенно это относится к применению в быту.

Лампы общего назначения (ЛОН)

ЛОН широко применяются, несмотря на то, что только 5 % энергии остается на освещение, а остальная – выделяется в виде тепла. ЛОН предназначены для бытовых нужд, предприятий, административных зданий и внешних светильников. Они подразделяются на стабильное напряжение 220 В и повышенное – до 250 В. Продолжительность горения у ламп небольшая и составляет около 1000 часов.

Первой буквой маркировки обозначается основная особенность, например, В – вакуумная, Б – биспиральная, Г – моноспиральная.

• Г 235-245-60-П (моноспиральная, диапазон напряжения 235-245 В, мощность 60 Вт, для подсобных помещений);
• В 230-240-60 (вакуумная, на 230-240 В, 60 Вт).

Лампы имеют значительную мощность. Ограничение по верхнему пределу 100 Вт к ним не относится. Лампы служат для направленного освещения на дальние расстояния: для прожекторов общего назначения, кинопроекционные и маячные. Тело накала у них имеет компактное расположение, чтобы улучшить фокусировку. Она обеспечивается также специальной конструкцией цоколей или за счет наличия дополнительных линз.

Как выглядят прожекторные лампы

Зеркальные лампы

Особенностью является специальная конструкция колбы и наличие светоотражающего экрана из алюминия. Чтобы придать свету мягкость и уменьшить контрастность, светопроводящий участок сделан матовым. Светораспределение бывает концентрированным (ЗК), средним (ЗС) и широким (ЗШ). Состав стекла некоторых зеркальных ламп меняют, добавляя в него окись неодима. Это делает их ярче и сдвигает цветовую температуру в сторону белого света.

Как выглядит зеркальная лампа

Лампы применяются для освещения сцен, витрин, промышленных комплексов, медицинских кабинетов и многого другого.

Галогенные лампы

Особенностью лампы является наличие в колбе галогенных соединений. При взаимодействии с ними испарившиеся молекулы вольфрама осаждаются обратно на спираль, что позволяет создавать повышенную температуру ее нагрева и в 2 раза увеличивать срок службы ламп.

Галогенная лампа со штырьковым цоколем

Выбирая лампу, нужно знать ее особенности, обычно указанные на маркировке, а также цель применения.

Как включать лампы накаливания

Несмотря на то, что для ламп накаливания не требуются никакие пусковые устройства, есть правила их подключения, которые следует выполнять. Прежде всего, к цоколю подключается нулевой провод, а через выключатель проходит фазный. При выполнении этих правил случайное прикосновение к цоколю не вызовет удара током.

Чтобы подать напряжение на все лампы с помощью одного выключателя, их следует подключить параллельно.

Схемы подключения ламп

В схемах подключение светильников производится параллельно. Обычно в помещение делается общий с розетками ввод, но выключатель связан только с лампами. Источники могут переключаться одновременно (рис. в) или раздельно (рис. б). В люстрах лампы могут объединяться в группы от одного переключателя. На рис. г показана схема ее работы, где 3 положения переключателя обеспечивают все схемы возможных состояний двух ламп.

Для длинных коридоров применяют 2 проходных выключателя, через которые можно независимо работать с лампой из разных мест (рис. д). Особенно это удобно для переключений наружных светильников из дома. При нажатии на один из них одна или несколько ламп загораются или гаснут. Для такой схемы требуется большее количество проводов.

Способы совершенствования ламп

Лампы накаливания развиваются в тех же направлениях, что и остальные источники света: повышение КПД, снижение энергозатрат и безопасное применение. Для этого подбирается определенная газовая среда, применяются галогенные и квацево-галогенные лампы, улучшаются технические характеристики. Многих вполне устраивает мягкий и теплый свет лампы накаливания.

Применение углеродных нанотрубок в качестве тела накаливания позволило в 2 раза увеличить светоотдачу по сравнению с вольфрамом. Стабильные параметры ламп сохраняются в течение 3000 часов. Пониженное напряжение питания делает ее более безопасной.

Как увеличить срок службы

Причины быстрого перегорания ламп следующие:

• нестабильность источника питания;
• механические сотрясения;
• температура воздуха;
• нарушение соединений в проводке.

С течением времени нить накала испаряется, сопротивление лампы увеличивается, и она перегорает. Кроме того, сопротивление обычной холодной и горячей лампы на 60-100 Вт меняется в 10 раз. Сопротивление холодной спирали в лампе на 60 Вт составляет 61,5 Ом, а горячей – 815 Ом. Чем ярче свет и чаще включение, тем процесс происходит интенсивней. При этом опасность выхода из строя возрастает к концу периода службы. В связи с этим требуется подобрать подходящее напряжение для нормальной светоотдачи и достаточного срока эксплуатации.

Способы обеспечения долговечности ламп накаливания:

1. При покупке выбрать подходящий диапазон напряжений.
2. Переноски перемещаются в выключенном состоянии, поскольку малейшее сотрясение приводит к перегоранию работающей лампы.
3. Если лампочка быстро выходит из строя в одном и том же патроне, его следует отремонтировать или заменить.
Оцените статью:

Нагретое электрическим током тело может, оказывается, не только излучать тепло, но и светиться. Первые источники света функционировали именно на этом принципе. Рассмотрим, как работает лампа накаливания – самый массовый осветительный прибор в мире. И, хотя его со временем предстоит полностью заместить на компактные люминесцентные (энергосберегающие) и светодиодные источники света, без этой технологии человечеству еще долго не обойтись.

Конструкция лампы накаливания

Основным элементом лампочки является спираль из тугоплавкого материала – вольфрама. Для увеличения ее длины и, соответственно, сопротивления, она скручена в тонкую спираль. Это не видно невооруженным глазом.

Спираль укреплена на поддерживающих элементах, крайние из которых служат для присоединения ее концов к электрической цепи. Они изготовлены из молибдена, температура плавления которого выше температуры разогретой спирали. Один из молибденовых электродов соединяется с резьбовой частью цоколя, а другой – с его центральным выводом.

Молибденовые держатели удерживают вольфрамовую спираль

Из колбы, сделанной из стекла, выкачан воздух. Иногда внутрь вместо воздуха закачивают инертный газ, например, аргон или его смесь с азотом. Это необходимо для снижения теплопроводности внутреннего объема, в результате чего стекло менее подвержено нагреву. Дополнительно эта мера препятствует окислению нити накала. При изготовлении лампы воздух выкачивается через часть колбы, скрытую затем цоколем.

Принцип работы лампы накаливания основан на разогреве электрическим током ее нити до температуры, при которой она начинает излучать свет в окружающее пространство.

Лампы накаливания можно изготовить на мощность от 15 до 750 Вт. В зависимости от мощности применяются разные типы резьбовых цоколей: Е10, Е14, Е27 или Е40. Для декоративных, сигнальных и ламп подсветки используются цоколи ВА7S, ВА9S, ВА15S. Такие изделия при установке втыкаются внутрь патрона и поворачиваются на 90 градусов.

Помимо обычной, грушеобразной формы, выпускаются и декоративные лампы, у которых колба выполняется в форме свечи, капли, цилиндра, шара.

Лампа с колбой, не имеющей покрытия, светится желтоватым светом, по составу наиболее напоминающим солнечный. Но при нанесении на внутреннюю поверхность стекла специальных покрытий она может стать матовой, красной, желтой, синей или зеленой.

Интерес представляет устройство зеркальной лампы накаливания. На часть ее колбы нанесен отражающий слой. В результате, за счет отражения от него, световой поток перераспределяется в одном направлении.

Достоинства ламп накаливания

Самым важным плюсом в пользу применения лампочек накаливания является простота их изготовления и, соответственно, цена. Проще осветительного прибора придумать невозможно.

Лампы изготавливают на широкий диапазон мощностей и габаритных размеров. Все остальные современные источники света содержат устройства, преобразующие напряжение питания в необходимую для их работы величину. Хотя их и ухитряются впихнуть в стандартные габаритные размеры лампочки, но при этом усложняется конструкция, увеличивается количество деталей в составе устройства. А это не всегда улучшает показатели стоимости и надежности. Схема же включения лампы накаливания не требует никаких дополнительных элементов.

Светодиодные лампы вытеснили обычные из портативных устройств: переносных источников света, питающихся от батареек и аккумуляторов. При той же светоотдаче они потребляют меньший ток, а габаритные размеры светодиода еще меньше, чем лампочек, использующихся ранее в фонариках. Да и в составе елочных гирлянд они работают успешнее.

Стоит отметить еще одно достоинство, присущее лампочкам накаливания – их спектр свечения наиболее близок к солнечному, чем у всех остальных искусственных источников света. А это – большой плюс для зрения, ведь оно адаптировано именно к солнцу, а не монохромным светодиодам.

Из-за тепловой инерции разогретой нити накала свет от нее практически не пульсирует. Чего нельзя сказать об излучении от остальных устройств, особенно люминесцентных, использующих в качестве пускорегулирующего устройства обычный дроссель, а не полупроводниковую схему. Да и электроника, особенно дешевая, не всегда подавляет пульсации от сети должным образом. От этого тоже страдает зрение.

Но не только здоровью может повредить пульсирующий характер работы полупроводниковых устройств, использующихся в современных лампочках. Массовое их применение приводит к резкому изменению формы потребляемого от сети тока, что сказывается в итоге и на форме напряжения. Она настолько изменяется по отношению к изначальной (синусоидальной), что это сказывается на качестве работы других электроприборов в сети.

Недостатки ламп накаливания

Существенный недостаток лампочек накаливания, сокращающий их срок службы – зависимость его от величины питающего напряжения. При повышении напряжения износ нити накала происходит быстрее. Выпускают лампы на разные величины этого параметра (вплоть до 240 В), но при номинальном значении они светят хуже.

Понижение напряжения приводит к резкому изменению интенсивности свечения. А еще хуже воздействуют на осветительный прибор его колебания, при резких скачках лампа может и перегореть.

Но самое худшее – то, что нить накала рассчитана на длительную работу в нагретом состоянии. При нагревании ее удельное сопротивление увеличивается. Поэтому в момент включения, когда нить холодная, ее сопротивление намного меньше того, при котором происходит свечение. Это приводит к неизбежному скачку тока в момент зажигания, приводящему к испарению вольфрама. Чем больше количество включений – тем меньше проживет лампа.

Исправить ситуацию помогают устройства для плавного запуска или , позволяющие регулировать яркость свечения в широких пределах.

Самым главным недостатком лампочек накаливания считается их низкий коэффициент полезного действия. Подавляющая часть электроэнергии (до 96 %) расходуется на бесполезный нагрев окружающего воздуха и излучение в инфракрасном спектре. С этим поделать ничего нельзя – таков принцип действия лампы накаливания.

Ну и еще: стекло колбы легко разбить. Но в отличие от компактных люминесцентных, содержащих внутри небольшое количество паров ртути, разбитая лампа накаливания кроме возможного пореза ничем владельцу не угрожает.

Галогенные лампы

Причиной перегорания лампы накаливания является постепенное испарение фольфрама, из которого сделана нить. Она становится тоньше, а затем очередной скачок тока при включении расплавляет ее в самом тонком месте.

Этот недостаток призваны устранить галогенные лампы, заполняемые парами брома или йода. При горении испаряющийся вольфрам вступает в соединение с галогеном. Получившееся вещество не способно осаждаться на стенках колбы или других, относительно холодных, внутренних поверхностях.

Вблизи же нити накала вольфрам под действием температуры извлекается из соединения и возвращается на место.

Применением галогенов решается еще одна задача: температуру спирали можно поднять, увеличивая световую отдачу и уменьшить размеры осветительного прибора. Поэтому при той же мощности габариты галогенных ламп оказываются меньше.

В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накаливания повышается после замыкания электрической цепи. Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля, излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Спектральная плотность мощности излучения (Функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 °C (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению абсолютно чёрного тела с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 . Однако не известны 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 (температура плавления примерно та же, но выше прочность при пороговых температурах) и очень редко осмий (температура плавления 3045 °C). 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 . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение.

Для оценки физиологического качества светильников используется понятие цветовой температуры . 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 в триоксид вольфрама (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 и заполняется инертным газом - обычно аргоном . На заре индустрии ламп их изготавливали с вакууммированными колбами; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом , аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп 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.

Все чистые металлы и их многие сплавы (в частности, вольфрам) имеют положительный температурный коэффициент сопротивления , что означает увеличение электрического удельного сопротивления с ростом температуры. Эта особенность автоматически стабилизирует электрическую потребляемую мощность лампы на ограниченном уровне при подключении к (источнику с низким выходным сопротивлением), что позволяет подключать лампы непосредственно к электрическим распределительным сетям без использования ограничивающих ток балластных реактивных или активных двухполюсников , что экономически выгодно отличает их от газоразрядных люминесцентных ламп . Для нити накаливания осветительной лампы типично сопротивление в холодном состоянии в 10 раз меньше, чем в нагретом до рабочих температур.

Для изготовления обычной лампочки требуется как минимум 7 металлов .

Конструкция

Конструкции ламп весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы, могут применяться держатели тела накала различной конструкции. Крючки-держатели тела накала ламп накаливания (в том числе ламп накаливания общего назначения) изготовляются из молибдена . Лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы - как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга , которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. В настоящее время отказываются от применения предохранителей из-за их малой эффективности.

Колба

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы : N 2 - 28,0134 /моль ; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении через тело накала протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растёт) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока . При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

Цоколь

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

Разновидности

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

• Вакуумные (самые простые)
• Аргоновые (азот-аргоновые)
• Криптоновые
• Ксенон-галогенные с отражателем ИК-излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК-диапазон, то отражение ИК-излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
• Накаливания с покрытием, преобразующим ИК-излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:

• лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения , их выпуск стал сокращаться;
• декоративные лампы , выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром около 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
• лампы местного освещения , конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
• иллюминационные лампы , выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком), их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
• зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
• сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
• транспортные лампы - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
• прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счёт особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
• лампы для оптических приборов , к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);

Специальные лампы

• коммутаторные лампы - разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первое число означает рабочее напряжение в вольтах, второе - силу тока в миллиамперах;
• Фотолампа , перекальная лампа - разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400 К, по сравнению с 2700 К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:
• Проекционные лампы - для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
• Двухнитевые лампы . В автомобиле - может быть у лампы переднего света одна нить для дальнего света, другая для ближнего, или, к примеру, одна нить для габаритного огня, другая для стоп-сигнала. Кроме того, такие лампы могут содержать экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей. В самолёте посадочно-рулёжная фара имеет основную нить, на которой лампа работает без внешнего охлаждения и дополнительную, включаемую вместе с основной, позволяя получить более мощный свет, но только при внешнем охлаждении - обдуве набегающим потоком воздуха. В звёздах Московского Кремля используются специально сконструированные двухнитевые лампы, обе нити включены параллельно.
• Лампа-фара . Лампа сложной специальной конструкции, применяемая на подвижных объектах, фигурная колба которой выполнена в виде части корпуса фары с отражателем. Конструктивно содержит в себе нить(и) накала, отражатель, рассеиватель, элементы крепления, клеммы и т. д. Лампы-фары широко применяются в современной автомобильной технике и уже достаточно давно в авиации.
• Малоинерционная лампа накаливания , лампа накаливания с тонкой нитью - использовалась в системах оптической записи звука методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа . Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала . С начала XXI века не находят применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных излучателей других типов.
• Нагревательные лампы - основной источник тепла в блоках термозакрепления лазерных принтеров и копировальных аппаратов . Лампа цилиндрической формы неподвижно устанавливается внутри вращающегося металлического вала, к которому прижимается бумага с нанесённым тонером . За счёт тепла, передающегося от вала, тонер расплавляется и впрессовывается в структуру бумаги.
• Лампы специального спектра излучения . Применяются в разнообразной технике.

История изобретения

Перегоревшую лампу, колба которой сохранила целостность, а нить разрушилась лишь в одном месте, можно починить путём встряхиваний и поворотов, таких, чтобы концы нити вновь соединились. При прохождении тока концы нити могут сплавиться и лампа продолжит работу. При этом однако может выйти из строя (расплавиться/обломиться) предохранитель, входящий в состав лампы.

Последовательное подключение

При последовательном подключении ламп накаливания сильно снижается их световая эффективность и меняется цветовая температура. Данный способ используется с целью продлить срок службы ламп или получить освещение более низким накалом (например, при создании интерьера под старину). Для освещения хорошо использовать подключение по две лампы последовательно, но и три лампы могут дать достаточный свет. Данные виды освещения крайне неэффективны и скорее могут найти применение в качестве источников тепла, когда свет от ламп нежелателен (например, при обогреве лампами картофеля в погребе). Ниже приводятся параметры ламп накаливания при последовательном подключении.

Данные приводятся относительно стандартных ламп 95Вт со светоотдачей 13,8лм/Вт (1311лм) и температурой тела накала 2700°C (на практике может быть ниже) при которой пик излучения приходится на длину волны 975нм.

Две лампы 1870°C (жёлтый свет), 2,75лм/Вт, одна лампа 33,25Вт 91,4лм, две 66,5Вт 183лм. Пик излучения 1352нм. Срок службы 35-45 тыс. часов.

Три лампы 1480°C (жёлто-оранжевый свет), 0,845лм/Вт, одна лампа 18,07Вт 15,27лм, три 54,2Вт 45,8лм. Пик излучения 1653нм. Срок службы 250-350 тыс. часов (практически не ограничен).

Четыре лампы 1250°C (оранжевый свет), 0,195лм/Вт, одна лампа 11,74Вт 2,29лм, четыре 46,94Вт 9,15лм. Пик излучения 1903нм. Срок службы не ограничен.

Пять ламп 1090°C (красновато-оранжевый свет), ≈0,044лм/Вт, одна лампа 8,5Вт ≈0,374лм, пять 42,49Вт ≈1,87лм. Пик излучения 2126нм. Срок службы не ограничен.

Шесть ламп 960°C (красно-оранжевый свет), светоотдача в пределах ≈0,0075-0,011лм/Вт, одна лампа 6,52Вт, шесть 39,12Вт. Пик излучения 2350нм. Срок службы не ограничен.

Как видно из параметров, освещение возможно двумя или тремя лампами последовательно, если использовать подключение по четыре лампы, то для получения приемлемого света нужно использовать мощные промышленные лампы накаливания. Подключения по четыре, пять и шесть ламп последовательно удобны, когда лампы используются как обогреватели воздуха. Если лампы используются как замена свечного освещения, то подключение по две последовательно по цвету примерно соответствует пламени парафиновой свечи, а подключение по три близко по цвету к пламени масляной лампы (в сочетании с низким световым потоком данное подключение очень хорошо имитирует огонь). Четыре лампы последовательно удобны для создания света углей в камине, так как дают очень похожий свет. Следует заметить, что при слабом накале и малой мощности ламп они нагреваются достаточно сильно, так как из-за снижения температуры тела накала излучаемое инфракрасное излучение смещается в длинноволновую область и значительный его процент задерживается стеклом колбы, которое становится непрозрачным после 2700нм.

Также выпускаются лампы, специально предназначенные для включения последовательно. Например, на старых вагонах метро для освещения салона последовательно включалось по 15 ламп на напряжение 50 В (что в сумме даёт 750 В - напряжение на контактном рельсе); конструкция таких ламп включает специальное самозакорачивающее устройство, благодаря которому при перегорании одной лампы остальные продолжают гореть.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества

• низкая цена
• небольшие размеры
• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
• мгновенное зажигание и перезажигание
• незаметность мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях)
• возможность использования регуляторов яркости

• приятный и привычный в быту спектр; спектр излучения лампы накаливания определяется исключительно температурой рабочего тела и не зависит ни от каких иных условий, что следует из принципа её работы. Он не зависит от применяемых материалов и их чистоты, стабилен во времени и имеет стопроцентную предсказуемость и повторяемость. Это важно в том числе при больших инсталляциях и в светильниках из сотен ламп: нередко можно увидеть, когда при применении современных люминофорных или светодиодных ламп они имеют разный цветовой оттенок в пределах группы. Это уменьшает эстетическое совершенство инсталляций. При неисправности одной лампы часто приходится заменять всю группу целиком, но даже при установке ламп из одной партии встречается девиация спектра
• высокий индекс цветопередачи , Ra 100
• непрерывный спектр излучения
• резкие тени (как при солнечном освещении) благодаря малому размеру излучающего тела
• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату
• налаженность в массовом производстве
• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
• возможность работы на любом роде тока
• нечувствительность к полярности напряжения
• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
• отсутствие гудения при работе на переменном токе (ввиду отсутствия электронного балласта, драйвера или преобразователя)
• при работе не создаёт радиопомехи
• устойчивость к электромагнитному импульсу
• нечувствительность к ионизирующей радиации

Недостатки

Производство

Ограничения импорта, закупок и производства

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные , светодиодные , индукционные и др.) лампы.

В России

2 июля 2009 года на заседании в Архангельске президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент Российской Федерации Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания .

23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утверждённый Советом федерации закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» . Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введён запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года - мощностью 25 Вт и более.

Данное решение является спорным. В поддержку его приводятся очевидные доводы сбережения электроэнергии и подталкивания развития современных технологий. Против - соображение, что экономия на замене ламп накаливания полностью сводится на нет повсеместно распространённым устаревшим и энергонеэффективным промышленным оборудованием, линиями электропередачи, допускающими большие потери энергии, а также относительно высокой стоимостью компактных люминесцентных и светодиодных ламп, малодоступных для беднейшей части населения. Кроме того, в России отсутствует налаженная система сбора и утилизации отработавших люминесцентных ламп, что не было учтено при принятии закона, и в результате чего ртутьсодержащие люминесцентные лампы бесконтрольно выбрасываются. Большинство потребителей не знает о наличии в люминесцентной лампе ртути, так как это не указано на упаковке, а вместо «люминесцентная» написано «энергосберегающая». В условиях низких температур многие «энергосберегающие» лампы оказываются неспособными запуститься. Люминесцентные энергосберегающие лампы неприменимы в прожекторах направленного света, так как светящееся тело в них в десятки раз крупнее нити накаливания, что не даёт возможности узкой фокусировки луча. В силу своей дороговизны «энергосберегающие» лампы чаще становятся объектом кражи из общедоступных мест (например, подъездов жилых домов), такие кражи наносят более весомый материальный ущерб, а в случае вандализма (повреждение люминесцентной лампы из хулиганских побуждений) - возникает опасность загрязнения помещения парами ртути.

Электрическая лампочка накаливания является очень важным предметом в жизни человека. С помощью нее миллионы людей могут заниматься делами независимо от времени суток. В то же время прибор очень прост в исполнении: свет испускается специальной нитью накала внутри стеклянного сосуда, из которого откачан воздух, а в ряде случаев заменен на специальный газ. Нить накала выполнена из проводника с высокой температурой плавления, что делает возможным нагрев с помощью тока до видимого свечения.

Лампа накаливания общего назначения (230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, габаритная высота ок. 110 мм

Как работает лампочка накаливания

Метод работы данного устройства так же прост, как и исполнение. Под воздействием электричества, пропускаемого сквозь тугоплавкий проводник, последний разогревается до большой температуры. Температура нагрева определяется подводимым к лампочке напряжением.

Следуя закону Планка нагретый проводник генерирует электромагнитное излучение. По формуле при смене температуры меняется и максимум излучения. Чем больше нагрев, тем короче длина волны испускаемого света. Другими словами, от величины температуры проводника накала в лампочке зависит цвет свечения. Длина волны видного спектра достигается при нескольких тысячах градусов по Кельвину. К слову, температура Солнца около 5000 Кельвин. Лампа с такой цветовой температурой будет светить дневным нейтральным светом. При уменьшении нагрева проводника излучение станет желтеть, затем краснеть.

В лампочке только доля энергии переходит в видный свет, остальная же преобразуется в тепло. Причем только часть светового излучения видна человеку, остальное же излучение является инфракрасным. Отсюда возникает потребность повышения температуры излучающего проводника, чтобы видимого света стало больше, а инфракрасного излучения – меньше (другими словами, увеличение КПД). Но максимальная температура проводника накаливания ограничена характеристиками проводника, что не позволяет разогреть ее до 5770 Кельвин.

Проводник из любого вещества при этом будет расплавляться, деформироваться или перестанет проводить ток. В настоящее время лампочки оснащаются вольфрамовыми нитями накаливания, выдерживающими 3410 градусов по Цельсию.
Одним из главных свойств лампы накаливания является температура свечения. Чаще всего она составляет от 2200 до 3000 Кельвин, что позволяет испускать только желтый свет, а не дневной белый.
Следует заметить, что на воздухе проводник из вольфрама при такой температуре сразу перейдет в оксид, во избежание чего нужно предотвратить контакт с кислородом. Для этого из колбы лампочки выкачивается воздух, чего хватает для создания 25-ваттных ламп. Более мощные лампочки содержат внутри себя инертный газ под давлением, что позволяет вольфраму служить дольше. Данная технология позволяет немного повысить температуру свечения лампы и приблизиться к дневному свету.

Устройство лампочки накаливания

Электрические лампочки немного различаются по конструкции, но к основным составляющим относятся нить излучающего проводника, стеклянный сосуд и выводы. У ламп специального назначения может не иметься цоколь, присутствовать иные держатели излучающего проводника, еще одна колба. В некоторых лампах накаливания также имеется предохранитель из ферроникеля, стоящий в разрыве одного из выводов.

Размещается предохранитель преимущественно в ножке. Благодаря ему колба не разрушается при обрыве излучающего проводника. При обрыве нити лампы появляется электрическая дуга, плавящая останки проводника. Расплавленное вещество проводника, попадая на стеклянную колбу, способно ее разрушить и спровоцировать возгорание. Предохранитель же разрушается от большого тока электрической дуги и прекращает плавление нити накала. Но ставить такие предохранители не стали ввиду малой эффективности.

Конструкция лампы накаливания: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.

Колба

Стеклянная колба лампы накаливания защищает излучающий проводник от окисления и разрушения. Размер колбы зависит от скорости осаждения материала проводника.

Газовая среда

Первые электрические лампочки выпускались с вакуумной колбой, в наше время так изготовлены только маломощные приборы. Лампы помощнее выпускаются наполненными инертным газом. От величины газовой молярной массы зависит излучение тепла проводником накаливания. Чаще всего в колбах находится смесь аргона и азота, но может быть и просто аргон, а также криптон и даже ксенон.

Молярные массы газов:

• N2 - 28,0134 г/моль;
• Ar: 39,948 г/моль;
• Kr - 83,798 г/моль;
• Xe - 131,293 г/моль;

Отдельно стоит рассмотреть галогенные лампы. В их сосуды закачиваются галогены. Вещество проводника накаливания испаряется и вступает в реакцию с галогенами. Получившиеся соединения при большой температуре вновь разлагаются и вещество возвращается на излучающий проводник. Это свойство позволяет увеличить температуру проводника, вследствие чего возрастает КПД и длительность работы лампы. Помимо этого, использование галогенов позволяет уменьшить размер колбы. Из минусов стоит отметить маленькое сопротивление проводника накала на старте.

Нить накала

Формы излучающего проводника бывают разные, в зависимости от специфики лампочки. Чаще всего в лампочках используется нить круглого сечения, но иногда может встретиться и ленточный проводник.
Первые лампочки выпускались даже с углем, нагревающимся до 3559 градусов по Цельсию. Современные лампочки комплектуются вольфрамовым проводником, иногда – осмиево-фольфрамовым. Вид спирали неслучаен – он существенно снижает габариты проводника накала. Существуют биспирали и триспирали, полученные методом повторного закручивания. Данные типы проводника накаливания делают возможным увеличение КПД за счет уменьшения теплоизлучения.

Свойства лампочки накаливания

Лампочки выпускаются для различных целей и мест установок, чем обусловлено их различие по напряжению цепи. Величина силы тока высчитывается по закону известного Ома (напряжение делим на сопротивление), а мощность с помощью несложной формулы: напряжение умножаем на ток или напряжение в квадрате делим на сопротивление. Для изготовления лампочки накаливания нужной мощности подбирается провод с необходимым сопротивлением. Обычно используется проводник толщиной 40-50 мкм.
При старте, то есть включении лампочки в сеть, происходит бросок тока (на порядок больше номинального). Это получается за счет низкой температуры нити накала. Ведь при комнатной температуре проводник имеет небольшое сопротивление. Ток снижается до номинального только при нагреве нити накала за счет увеличения сопротивления проводника. Что касается первых угольных ламп, то там было наоборот: холодная лампочка имела большее сопротивление, чем горячая.

Цоколь

Цоколь лампы накаливания имеет стандартизированные форму и размер. Благодаря этому возможна замена лампочки в люстре или другом приборе без проблем. Наиболее популярны цоколи лампочек с резьбой, имеющие маркировки E14, E27, E40. Цифры после буквы «Е» обозначает внешний диаметр цоколя. Существуют и цоколи лампочек без резьбы, удерживаемые в патроне силой трения или другими приспособлениями. Лампочки с цоколями Е14 чаще требуются при замене старых в люстрах или торшерах. Цоколь Е27 используется повсеместно – в патронах, люстрах, специальных приборах.
Обратите внимание, что в Америке напряжение цепи 110 вольт, поэтому они пользуются цоколями, отличными от европейских. В американских магазинах найдутся лампочки с цоколями Е12, Е17, Е26 и Е39. Сделано это затем, чтобы случайно не спутать европейскую лампочку, рассчитанную на 220 вольт и американскую на 110 вольт.

Коэффициент полезного действия

Энергия, подводимая к лампочке накаливания тратится не только на производство видного спектра света. Часть энергии тратится на испускание света, часть превращается в тепло, но самая большая доля тратится на инфракрасный свет, недоступный человеческому глазу. При температуре проводника накаливания 3350 Кельвин КПД лампочки всего 15%. А стандартная 60-ваттная лампа с температурой свечения 2700 Кельвин имеет КПД около 5%.
Естественно, КПД лампочки прямо зависит от степени нагрева излучающего проводника, но при более сильном нагреве нить не прослужит долго. При температуре проводника в 2700К лампочка будет светить около 1000 часов, а при нагреве до 3400К срок службы сокращается до нескольких часов. При поднятии напряжения питания лампы на 20% сила свечения увеличится примерно до 2 раз, а срок работы уменьшится аж до 95%.
Для повышения срока работы лампочки следует понизить напряжение питания, но с этим понизится и КПД прибора. При последовательном подключении лампочки накаливания будут работать до 1000 раз дольше, но их КПД окажется в 4-5 раз меньше. В некоторых случаях такой подход имеет смысл, к примеру, на лестничных пролетах. Большая яркость там не обязательна, а вот срок службы лампочек должен быть немалым.
Для достижения данной цели последовательно с лампочкой нужно включить диод. Полупроводниковый элемент позволит отсечь ток половины периода, протекающий по лампе. В результате мощность снижается наполовину, а за ней и напряжение снижается примерно в 1,5 раза.
Однако, такой способ подключения лампы накаливания невыгоден со стороны экономики. Ведь такая цепь будет потреблять больше электроэнергии, что делает выгоднее замену сгоревшей лампочки новой, нежели потраченные киловатт-часы на продление жизни старой. Поэтому для запитки лампочек накаливания подается напряжение, немного побольше номинального, что позволяет экономить электроэнергию.

Сколько служит лампа

Длительность эксплуатации лампы снижается многими факторами, например, испарением вещества с поверхности проводника или дефектами проводника накала. При разном испарении материала проводника появляются участки нити с большим сопротивлением, обуславливающим перегрев и еще интенсивнее испарение вещества. Нить накала под действием такого фактора истончается и местно целиком испаряется, чем обуславливается сгорание лампы.
Сильнее всего проводник накала изнашивается при запуске из-за броска тока. Во избежание этого применяются приборы плавного запуска лампы.
Вольфрам характеризуется удельным сопротивлением вещества в 2 раза большим, чем, например, алюминий. При подсоединении лампы в сеть ток, протекающий по ней, на порядок больше номинального. Броски тока и являются причиной перегорания лампочек накаливания. Для защиты цепи от бросков тока в лампочках иногда стоит предохранитель.

При внимательном рассмотрении электрической лампочки плавкий предохранитель виден более тонким проводником, идущим к цоколю. При включении в сеть обычной электрической 60-ваттной лампочки мощность нити накала может достигать 700 ватт и выше, а при включении 100-ваттной – более 1 киловатта. При нагреве излучающий проводник увеличивает сопротивление и мощность уменьшается до нормы.

Чтобы обеспечить плавный запуск лампы накаливания, можно воспользоваться терморезистором. Коэффициент температурного сопротивления такого резистора должен быть отрицателен. При включении в цепь терморезистор холодный и обладает большим сопротивлением, поэтому лампочка не получит полное напряжение до прогрева данного элемента. Это только основы, тема плавного подлючения лампочек накаливания огромная и требует более глубокого изучения.

Благодаря таблице, которая приведена ниже, можно приблизительно узнать соотношение мощности и светового потока для обычной лампочки «груши» (цоколь E27, 220 В).

Какие бывают лампочки накаливания

Как упоминалось выше, из сосуда лампы накаливания откачан воздух. В некоторых случаях (например, при маленькой мощности) колбу так и оставляют вакуумной. Но гораздо чаще лампа наполнена специальным газом, который продляет длительность работы нити накаливания и улучшает светоотдачу проводника.
По типу заполнения сосуда лампочки делят на несколько видов:
Вакуумные (все первые лампочки и маломощные современные)
Аргоновые (в ряде случаев заполняются смесью аргон+азот)
Криптоновые (данный тип лампочек на 10% сильнее светит, чем вышеупомянутые лампы с аргоном)
Ксеноновые (в таком исполнении лампы светят уже в 2 раза сильнее, чем лампы с аргоном)
Галогеновые (в сосуды таких лампочек помещают йод, возможно, бром, позволяющие светить аж в 2,5 раза сильнее все тех же аргоновых. Данный тип лампочек является долговечным, но требует хорошего накала нити для работы цикла галогенов)
Ксенон-галогенные (такие лампы наполняют смесью ксенона с йодом или бромом, считающимся лучшим газом для лампочек, потому что светит такой источник в 3 раза ярче стандартной аргоновой лампы)
Ксенон-галогеновые с ИК отражателем (огромная доля свечения лампочек накаливания находится в ИК секторе. Отражая его обратно, можно существенно увеличить КПД лампы)
Лампы с проводником накаливания с преобразователем ИК излучения (на стекло колбы наносится спецлюминофор, излучающий при разогреве видный свет)

Плюсы и минусы ламп накаливания

Как и у прочих электроприборов, у лампочек существует масса плюсов с минусами. Именно поэтому часть людей пользуются данными источниками света, а другая часть сделала выбор в пользу более современных осветительных приборов.

Плюсы:

Хорошая цветопередача;
Масштабное налаженное производство;
Низкая стоимость изделия;
Небольшие размеры;
Простота исполнения без лишних узлов;
Стойкость к радиации;
Имеет только активное сопротивление;
Мгновенный пуск и перезапуск;
Стойкость к перепадам напряжения и сбоям в сети;
В составе нет химически вредных веществ;
Работа как от переменного, так и от постоянного тока;
Отсутствие полярности входов;
Возможно производство под любое напряжение;
Не мерцает от переменного тока;
Не гудит от переменного тока;
Полный световой спектр;
Привычный и удобный цвет свечения;
Стойкость к импульсам электромагнитного поля;
Возможно подключение регулировки яркости;
Свечение при заниженных и завышенных температурах, стойкость к образованию конденсата.

Минусы:

• Заниженный световой поток;
  Короткая длительность работы;
  Чувствительность к дрожанию и ударам;
  Большой скачок тока при пуске (на порядок выше номинального);
  При разрыве проводника накала возможно разрушение колбы;
  Срок работы и поток света зависит от напряжения;
  Пожароопасность (полчаса свечения лампы накаливания разогревает ее стекло в зависимости от величины мощности: 25вт до 100 градусов по Цельсию, 40вт до 145 градусов, 100вт до 290 градусов, 200вт до 330 градусов. При контакте с тканью нагрев становится более интенсивным. 60- ваттная лампочка может, например, поджечь солому через час работы.);
  Необходимость термостойких патронов и крепежей лампы;
  Маленький КПД (соотношение силы видимого излучения к объему потребляемой электроэнергии);
  Несомненно, главным плюсом лампы накаливания становится ее низкая стоимость. С распространением люминесцентных и, тем более, светодиодных лампочек ее популярность существенно снизилась.

А знаете ли Вы как создаются лампы накаливания? Нет? Тогда вот вам ознакомительное видео от Discovery

И помните лампочка, засунутая в рот, назад не вылезет, поэтому не стоит этого делать. 🙂