лампа накаливания Воронин Гриша 9В

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

конструкция 1. колба; 2. буферный газ; 3. нить накала; 4 электрод (соединён с нижним контактом); 5. электрод (соединён с контактом на резьбе); 6. держатели нити; 7. стеклянный уступ держателей; 8. контактный проводник, 9. резьба; 10. изолятор; 11. нижний контакт

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.

стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе

буферный газ Колбы первых ламп были вакумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами.

Сгорание вольфрамовой нить при поподании воздуха в колбу Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы: 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 лампах делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампах 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·I, или P=U²/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет микрон.

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.

Двойная спираль лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и держателями нити

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

цоколь Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альмой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и Е40. Также встречаются цоколи без резьбы, а также безцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

предохранитель Перегорание лампы происходит во время её работы, то есть в то время, когда одновременно нить накала нагрета и через нить протекает электрический ток. Если в это время происходит разрыв нити, то между разведёнными концами нити обычно загорается электрическая дуга. В быту это можно заметить по яркой синевато-белой вспышке в момент перегорания лампы.

Поскольку нить, как правило, представляет собой относительно тонкий провод, свёрнутый в спираль, то электрическое сопротивление нити может быть бо´льшим, нежели сопротивление ионизированного газа в дуге. Поэтому концы дуги начинают разбегаться от места разрыва нити, а сила тока в цепи возрастает.

При дальнейшем развитии этого процесса дуга может загореться уже между держателями нити, сопротивление которых относительно мало, в результате сила тока в питающей цепи может намного превысить допустимые пределы, что приведёт либо к срабатыванию предохранителей в питающей цепи, либо к перегреву питающих проводов, что, возможно, спровоцирует пожар.

Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

история изобретения В 1840 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью) В 1838 году бельгиец Жабар изобретает угольную лампу накаливания. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в ваккумираванном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой.

Лампа Генриха Гёбеля.

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. В 1878 году на Всемирной выставке в Париже была представлена свеча Яблочкова- первая дуговая лампа (там было продемонстрировано 1000 свечей) с жизненным циклом в 90 минут, позже они были вытеснены дифференциальными лампами (дифференциальная лампа Сименса и Гальске, лампа Кертинга, Шуккерта с переменным током Яндуса и др.)

Лампа Лодыгина

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна (цоколь E27, 220 вольт)

Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет. Джозеф Вильсон Сван

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала. С конца 1890-х гг. появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна) В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.

В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение. В 1910 году 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 года в фирме «General Electric», придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

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 (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.

Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

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. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) сильно уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности. Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

тип КПДСветоотдача Лампа накаливания 40 Вт1,9 %12,6 Лампа накаливания 60 Вт2,1 %14,5 Лампа накаливания 100 Вт2,6 %17,5 Галогенные лампы2,3 %16 Металлогалогенная лампа (с кварцевым стеклом) 3,5 % 24 Высокотемпературная лампа накаливания 5,1 % 35 Абсолютно чёрное тело при 4000 K7,0 % 47,5 Абсолютно чёрное тело при 7000 K 14 % 95 Идеально белый источник света35,5 %242,5 Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник 100 %683

галогенные лампы Добавление в буферный газ паров галогенов (брома или йода) повышает время жизни лампы до часов. При этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

Энергосберегающая Галогенная лампа с цоколем Е27

Галогенная лампа

преимущества и недостатки ламп накаливания Преимущества: малая стоимость небольшие размеры ненужность пускорегулирующей аппаратуры при включении они зажигаются практически мгновенно отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт) отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе непрерывный спектр излучения устойчивость к электромагнитному импульсу нормальная работа при низкой температуре окружающей среды

Недостатки: низкая световая отдача относительно малый срок службы резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения цветовая температура лежит только в пределах K, что придаёт свету желтоватый оттенок световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%

лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт 145°C, 75 Вт 250°C, 100 Вт 290°C, 200 Вт 330°C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

В скором времени обычные лампы накаливания заменят на энергосберегающие

утилизация Отслужившие лампы накаливания и галогенные лампы накаливания не содержат вредных для окружающей среды веществ и могут утилизироваться как обычные бытовые отходы. Единственным ограничением является запрет на их переработку вместе с изделиями из стекла.

Форма лампы накаливания не может ни привлекать внимание дизайнеров

Картель Фебус Международный электроламповый картель с административным центром обществом Phöbus S. A. (Женева, Швейцария), существовавший в гг, объединял в себе более 40 производителей из разных стран, доля продукции которых на мировом рынке достигала 80% и имеющий влияние на ценовую, патентную политику.

По некоторым источникам в 1924 г между участниками картеля была достигнута договорённость о ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп.(нем.) Кроме того картелем были разработаны ныне действущие стандарты цоколя Эдисона.

интересные факты - В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния) есть 4-ваттная лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа». Она практически постоянно горит уже более 100 лет, с 1901 года. - Пока лампа Томаса Эдисона не завоевала популярность, люди спали по 10 часов в сутки. - В СССР после претворения в жизнь ленинского плана ГОЭЛРО за лампой накаливания закрепилось прозвище «лампочка Ильича». В наши дни так чаще всего называют простую лампу накаливания, свисающую с потолка на электрическом шнуре без плафона.

Изображение предмета, напоминающего лампу накаливания, на рельефе времён Клеопатры в Дендере.

ссылки Статья о путях создания первой электрической лампочки накаливания в РоссииСтатья о путях создания первой электрической лампочки накаливания в России Почему невозможно существование вечной лампочки Подборка статей о лампах накаливания Статья "Солнце в интерьере. Часть 1. Лампы накаливания." о лампах в люстрах и т.д. для интерьерного освещенияСтатья "Солнце в интерьере. Часть 1. Лампы накаливания." о лампах в люстрах и т.д. для интерьерного освещения Энергосберегающие лампы: «За» и «Против» Стандарты присоединительных размеров - цоколей и патронов электроламп.Стандарты присоединительных размеров - цоколей и патронов электроламп.

Автор: Воронин Григорий ученик 9 «В» класса