Из чего состоит лампа накаливания

Для создания искусственного света часто используется обычная лампочка. Этот компонент известен еще с советских времен. Стеклянная колба, цоколь и спираль являются основными видимыми частями изделия. То, как лампочка устроена изнутри, интересно как начинающему мастеру, так и профессионалу.

Содержание

История изобретения электрической лампочки

Продукт был разработан и усовершенствован многими учеными в разное время. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые были соединены с полюсами гальванической батареи. Когда они соприкасались, возникал электрический разряд, и над элементами возникала светящаяся дуга. Использование такой лампы в повседневной жизни было невозможно по нескольким причинам – неудобство конструкции и быстрое сгорание угольных стержней. С другой стороны, мировые ученые начали понимать, из чего может быть сделана лампа.

Спустя 70 лет, в 1872 году, А.Н. Лодыгин получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали использовался угольный стержень из реторты, помещенный под стеклянную крышку.

Уже в 1880 году лампа Лодыгина использовалась для уличного освещения на Литинском мосту в Санкт-Петербурге 10 мая. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1910 году было решено скрутить вольфрамовую нить в спираль, чтобы увеличить срок ее службы. В результате изделие может работать до 1000 часов вместо первоначально запланированных 50-100 часов.

Принцип теплового излучения также используется при производстве галогенных ламп.

Структура и схема лампы накаливания выглядит следующим образом

Стеклянная колба в форме груши или круга;
Корпус из нити (вольфрамовая или углеродная нить), удерживаемый двумя крючками
два электрода;
предохранитель;
стебель;
основание (корпус) с изолятором;
его контакт (в нижней части).

Окисление вольфрамовой нити (катушки, корпуса нити) предотвращается путем помещения ее в вакуум или газообразную среду. Они заполнены в стеклянной колбе.

Электрические характеристики

Все лампы накаливания производятся для разного напряжения. Поскольку тугоплавкий металл вольфрам имеет низкое удельное сопротивление, для светового элемента требуется длинная проволока. Так, длина нити накаливания в электрической лампочке часто достигает 50 микрометров. При включении лампы через нить накала протекает ток, в 10-14 раз превышающий рабочий ток. Чем больше нагревается нить накала, тем больше сопротивление и тем меньше ток.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Рассмотрев, из чего состоит лампочка, важно также понять принцип ее работы:

При включении лампы ток проходит через нижнюю часть основания к телу нити накаливания.
При замыкании электрической цепи вольфрамовая нить сильно нагревается, вызывая свечение.
В этот момент температура нити достигает 570 градусов.
Таким образом, спектр свечения нити смещается в сторону более теплых температур.

Для справки: Чем ниже степень вольфрамовой/углеродной нити, тем меньше доля энергии, которая достигает тела нити и вызывает ее видимое излучение. Ретролампы отличаются тем, что они медленнее и слабее нагревают нить накаливания.

Типы элементов освещения

Все продукты классифицируются по различным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:

простейший вакуум (при их производстве весь воздух высасывается из колбы);
заполнены аргоновым газом;
ксенон-галоген;
Наполнен криптоном.

В зависимости от назначения лампочки делятся на такие типы:

Декоративный. Они работают по обычному принципу. Колба имеет форму свечи или сферы.

В зависимости от количества нитей все компоненты делятся на:

Двужильный. Они имеют один корпус нити накаливания для дальнего света (сильный) и один для ближнего (слабый). Используется в автомобилях, авиации, железнодорожной сигнализации, звездах Московского Кремля.
Односторонний. Обычные лампы накаливания с вольфрамовой нитью.

Нитевидный корпус в малоинерционном изделии имеет очень тонкую спираль. Ранее они использовались в оптических системах записи звука. Существуют также нагревательные лампы, которые используются в сушилках, электроплитах, оргтехнике и т.д.

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания имеют много преимуществ:

доступная стоимость;
компактный размер;
мгновенное включение/выключение;
Отсутствие мерцания, вредное для глаз;
безразличие к пикам напряжения;
мягкое свечение, способствующее расслаблению, создающее уютную атмосферу;
хороший индекс цветопередачи Ra 90;
работает в любых условиях (включая высокую влажность);
постоянно доступны для потребителя;
экологичность;
отсутствие шума во время работы;
Инертность к ионизирующему излучению.

Недостатки ламп накаливания следующие:

хрупкость, восприимчивость к механическим повреждениям;
относительно короткая продолжительность жизни;
Низкий КПД, не превышающий 5-7% (отношение потребляемой мощности к видимому излучению);
Опасность пожара в случае прямого контакта лампы с легковоспламеняющимися веществами (текстиль, солома и т.д.);
вероятность взрыва в случае теплового удара или разрыва катушки под напряжением.

Несмотря на все эти недостатки, хорошо известные лампы накаливания уверенно удерживают свои позиции. Более 70% населения СНГ до сих пор пользуются ими.

Производительность и долговечность

Если вы хотите понять структуру лампочки, важно понять ее эффективность. При температуре 3400 Кельвинов эффективность элемента составляет 15%. Это отношение потребления энергии к видимому свету, излучаемому человеческим глазом. При температуре 2700 К (средняя нормальная температура для обычной бытовой лампы) эффективность составляет всего 5%.

Чем выше температура нити накала, тем выше эффективность. Однако это сократит срок службы изделия. Например, если увеличить напряжение на 20%, то яркость будет ярче – эффективность лампочки увеличится – но срок службы изделия сократится на 90-95%. Поэтому снижение напряжения уменьшает производительность изделия и продлевает срок его службы.

Как продлить срок службы лампочки накаливания

В среднем, обычная бытовая лампочка служит 700-1000 часов. Однако на практике он сгорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, важно предотвратить факторы, которые приводят к ее перегоранию.

Соблюдайте диапазон напряжения. Это указано на колбе изделия. Обычно это 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. Если напряжение дома слишком высокое, изделие сгорит быстрее. Например, в квартире максимальное напряжение составляет 220 В, а лампа покупается с диапазоном 125-135 В. В этом случае нить накаливания будет быстрее перегорать по мере увеличения мощности изделия.
Устраните неисправность в розетке. Если лампочки перегорают часто, стоит проверить цоколь и перепроверить контакты. При необходимости замените гнездо.
Избегайте вибраций. Это приводит к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. По этой причине лучше всего переносить перемещаемые осветительные приборы с выключенной лампочкой.

Чтобы продлить срок службы лампы, можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. Это позволит продлить срок службы изделия в 3-3,5 раза при экономии электроэнергии.

Как работает лампочка? Это относится и к ретро-лампочке Эдисона.

Ретро-лампочка – это прекрасная вещь, без сомнения. Но как все это работает? В чем разница между лампой Эдисона и обычной лампой накаливания? Ну, если честно, почти ничего. Давайте разложим его на составляющие.

Ретро-лампочка от фабрики DANLAMP

Прежде всего, определение. Лампа накаливания – это источник света, в котором свет излучается через спираль, называемую также нитью накаливания, которая нагревается электрическим током до высокой температуры. Чаще всего используется нить из тугоплавкого металла, например, вольфрама, или углеродная нить. Чтобы нить не окислялась при контакте с воздухом, ее откачивают из стеклянной колбы и помещают в вакуум.

Любая лампа накаливания, будь то обычная или ретро, использует эффект нагрева проводника при прохождении через него электрического тока. Температура нити накала повышается при замыкании цепи. Для получения видимого излучения температура излучающего тела должна превышать 570 градусов (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для человеческого зрения оптимальный, физиологически наиболее комфортный спектральный состав видимого света соответствует излучению с температурой поверхности солнечной фотосферы 5770 K . Однако неизвестны твердые вещества, способные выдержать температуру фотосферы Солнца без разрушения, поэтому рабочие температуры нитей ламп накаливания находятся в диапазоне 2000-2800 С. В нитях накала современных ламп накаливания используются высокоплавкие и относительно недорогие вольфрам (температура плавления 3410 °С), рений и (очень редко) осмий. Поэтому спектр ламп накаливания смещен в сторону красной части спектра. Только небольшая часть электромагнитного излучения лежит в видимом световом диапазоне; большая часть лежит в инфракрасном диапазоне и воспринимается как тепло. Чем ниже температура проволоки накаливания, тем меньшая часть энергии, подведенной к нагретой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение и тем более “красным” является это излучение. Поэтому лампы с ретро-нитью отличаются от обычных ламп накаливания тем, что они нагревают нить менее интенсивно. В результате нить испаряется медленнее и служит дольше.

Также полезны ретро-лампы. При типичной температуре ламп накаливания 2200-2900 К излучается желтоватый свет, отличный от дневного. Вечером “теплый” (< 3500 К) свет более комфортен для человека и снижает естественную выработку мелатонина, который важен для регулирования циркадного цикла организма (нарушение его синтеза имеет негативные последствия для здоровья).

При высоких атмосферных температурах вольфрам быстро окисляется, образуя характерный белый налет на внутренней поверхности лампы, когда она теряет герметичность. По этой причине вольфрамовая нить помещается в герметичную колбу, из которой в процессе производства удаляется воздух. Еще более распространены газонаполненные лампы: В них колба заполнена инертным газом – обычно аргоном. Повышенное давление в колбе газонаполненной лампы снижает скорость испарения вольфрамовой нити. Это не только увеличивает срок службы лампы, но и повышает температуру нити накала. Это увеличивает световую отдачу, а спектр излучения становится ближе к белому. Внутренняя поверхность колбы газонаполненной лампы темнеет медленнее, если материал нити накала распыляется во время работы, как в случае с вакуумной лампой. Ретро-лампы обычно изготавливаются с вакуумными колбами, но некоторые производители делают их с газовым наполнением.

Конструкция лампочки. На диаграмме показано: 1 – колба; 2 – полость колбы; 3 – нить накала (тело нити); 4, 5 – электроды; 6 – крючки-захваты нити; 7 – патрон лампы; 8 – предохранитель; 9 – корпус цоколя; 10 – изолятор цоколя (стекло); 11 – нижний контакт цоколя.

Конструкции ламп накаливания широко варьируются, но потребительские различия в основном заключаются в мощности, форме и размере колбы и типе цоколя.

Лампы общего пользования оснащены предохранителем – элементом из железо-никелевого сплава, приваренным к промежутку в одном из токоведущих проводов и расположенным вне колбы лампы – обычно в цоколе. Назначение предохранителя – защитить лампу от повреждения, если нить накаливания лопнет во время работы.

200 Вт лампа с двойной нитью накаливания (сильно увеличена)

Двухнитевая лампа Osram 200 Вт (бисквит) с токоподводящими проводами и держателями (увеличено)

Формы корпусов нитей накаливания очень разнообразны и зависят от назначения ламп. Нити накала первых ламп были сделаны из углерода. В современных лампах используются почти исключительно вольфрамовые спирали. Чтобы уменьшить размер тела нити, она обычно имеет форму катушки. В случае ретро-ламп накаливания, где важен художественный эффект, катушка устанавливается так, как это необходимо для художественного эффекта, например, имитируется катушка в исторических лампах накаливания Эдисона. В обычных лампах накаливания спираль часто имеет шестиугольную форму для обеспечения равномерного освещения.

Форма резьбового цоколя обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Своном или, по другим источникам, Льюисом Говардом Латимером – в компании Эдисона. Размеры оснований стандартизированы. Для бытовых лампочек наиболее часто используются цоколи Эдисона E14, E27 и E40 (цифра указывает на внешний диаметр в мм).

В США и Канаде используются разные цоколи (отчасти это связано с разным напряжением в сети – 110 В, поэтому разные размеры цоколей предотвращают случайное вкручивание европейских ламп, рассчитанных на другое напряжение): E12 (канделябр), E17 (промежуточная), E26 (стандартная или средняя), E39 (могол).

Лампа накаливания: особенности и характеристики.

Лампа накаливания – самая дешевая лампа на рынке. Несмотря на активную пропаганду энергосберегающих устройств, многие люди по-прежнему пользуются этим надежным электрическим источником света.

Конструкция и принцип действия.

Дизайн лампы практически не изменился с начала 20-го века. Он состоит из нескольких компонентов:

стеклянная колба;
инертный газ;
вольфрамовая нить;
держатель нити накала;
электроды, проводящие ток;
предохранитель;
основание.

Колба герметизирует и защищает нить накаливания от воздействия атмосферы. Для источника света с вольфрамовой нитью обычно используется кальциевое стекло.

В качестве инертного газа чаще всего используется недорогая смесь азота и аргона, чистый аргон или криптон.

Нить накаливания для бытовых лампочек изготавливается из вольфрамовой проволоки, скрученной в спираль. Это делается для того, чтобы уменьшить размер изделия и увеличить площадь излучения.

Молибденовые крючки используются в качестве держателей для нити.

В конструкцию часто включается предохранитель. Он состоит из железо-никелевого сплава, который приваривается к одному из токоведущих электродов. Назначение предохранителя – предотвратить взрыв лампочки при перегорании нити накаливания.

Основание состоит из металлического корпуса, стеклянного изолятора и токопроводящего контакта.

Принцип работы лампы довольно прост. Люминесценция возникает при прохождении электрического тока через нить накаливания. Чтобы свет был виден человеческому глазу, нить накала должна нагреться до 570°C. А рабочая температура нити достигает 3000°C. При нажатии на выключатель вольфрамовая нить начинает нагреваться и светиться.

Почему их называют лампами Ильича?

В нашей стране этот отечественный осветительный прибор получил название лампа Ильича. Не каждая лампа заслуживает такого названия. Именем Ленина может быть названа только голая лампочка на проводе без плафона. Дело в том, что одной из первых задач молодой советской власти была электрификация страны. В 1920 году Владимир Ленин приехал в деревню Кашино на пуск электростанции. Там он пообщался с крестьянами, сфотографировался с ними и провел митинг. Это, казалось бы, обычное событие нашло отражение в советской литературе и кино. А простую лампу, подвешенную на проволоке к потолку, стали называть лампой Ильича. Позже этот термин стал ироничным, как пример поспешно решенной проблемы.

Типы ламп накаливания, область применения и электрические характеристики.

Классификация этих осветительных приборов.

Общее назначение. Предназначен для общего, местного и декоративного освещения в домах и офисах.
Местное освещение. Аналогично предыдущей группе, но с низким напряжением (12, 24, 36 В). Подходит для освещения рабочих мест, а также для специальной техники.
Декоративные модели. Они выпускаются с лампочками специальной формы (в форме свечи, шара и т.д.). Используется для внутренней отделки в квартирах и общественных зданиях.
Освещение. Поставляется с лампочками ярких цветов. Они имеют низкую выходную мощность. Они используются в осветительных установках.
Сигнальные огни. Низкая мощность, но долгий срок службы. Используется в устройствах световой сигнализации.
Зеркальное отражение. Изготовлен из колбы специальной формы, покрытой отражающим алюминиевым слоем. Используется для определения местоположения местного освещения в данной точке.
Транспортное освещение. Предназначен для различных видов транспорта. Они изготавливаются с высокой механической и вибрационной стойкостью. Оснащен специальными приспособлениями.
Лампы предназначены для оптических приборов (измерительных приборов, медицинских приборов и т.д.).
Проекционные лампы. Высокая мощность (до 10 кВт) и высокая светоотдача.
Специальный:

коммутаторные лампы (миниатюрные, малой мощности);
фотографические лампы (сейчас почти не используются);
проекционные лампы (для кинопроекторов);
двунаправленные лампы и отражатели для автомобильных, авиационных и железнодорожных светофоров;
нагревательные лампы и лампы специального спектра для различных приборов (принтеры, сушильные камеры и т.д.).

Номенклатура осветительных приборов определяет их характеристики.

Диапазон мощности составляет от 0,1 Вт до 23 кВт. Для бытовых ламп накаливания диапазон гораздо более узкий: от 15 до 150 Вт.
Цветовая температура варьируется от 2100 до 3000 К, что очень близко к естественному солнечному спектру.
Эффективность ламп накаливания довольно низкая: около 5%. Это связано с тем, что большая часть электрической энергии используется для теплового нагрева нити накала и невидимого инфракрасного излучения.
При эксплуатации светильник не требует дополнительных токоограничивающих устройств. Он подключен непосредственно к электрической сети. Это связано со свойствами вольфрама. Он имеет положительный коэффициент теплового расширения. Это означает, что электрическое сопротивление увеличивается с ростом температуры: потребляемая мощность светильника автоматически стабилизируется.
Световой поток или яркость лампы накаливания зависит от ее мощности. Для бытовых приборов он составляет от 90-2200 лм. Световая отдача составляет 9-15 лм/Вт.
Индекс цветопередачи составляет Ra 100. Это означает, что цвета объектов не искажаются.
Важной характеристикой для потребителей является размер и тип цоколя лампы. Бытовые приборы обычно имеют винтовое основание. Однако существуют также лампы со штырьковым или двумя штырьковыми цоколями. В зависимости от размера, в Европе доступны цоколи E14, E27 и E40. Число означает диаметр основания в миллиметрах. В странах с более низким напряжением сети (110 В) лампы меньше. Базовые размеры: E12, E17, E26 и E39.

Преимущества и недостатки.

Преимущества Лампа накаливания имеет больше преимуществ, чем недостатков.

Низкая цена светильника. Пока не производится дешево.
Небольшой размер, эргономичная форма.
Низкая чувствительность к колебаниям напряжения.
Немедленное свечение при подключении к электричеству.
Не вредно для глаз: мерцание не обнаруживается человеческим глазом.
Можно использовать с диммерами – диммеры диммируются.
Спектр света максимально приближен к естественному солнечному свету.
Свечение не искажает цвета объектов.
Постоянный спектр излучения.
Надежность в средах с переменными условиями эксплуатации: например, низкие или высокие температуры, атмосферный конденсат.
Широкий диапазон рабочего напряжения.
Простая и безопасная утилизация.
Простая в использовании электрическая установка. Светильник напрямую подключается к электрической сети без дополнительных устройств управления.
Устойчивость к ионизирующему излучению и электромагнитным импульсам.
Не создает радиочастотных помех.
Не издает шума во время работы.
Может питаться как переменным, так и постоянным током; независимо от полярности.
Низкий уровень ультрафиолетового излучения.

Короткий жизненный цикл.
Низкий световой поток, который зависит от напряжения.
Низкая эффективность: не более 5%.
Опасность возгорания из-за сильного нагрева колбы.
Хрупкость стеклянного пузыря.
Возможен взрыв лампы.
Высокое энергопотребление по сравнению с другими типами ламп.

Итог.

На протяжении всего 20-го века лампы накаливания служили человеку. В нашем веке их место заняли светодиоды и люминесцентные лампы. Наша страна в борьбе за энергоэффективность приняла программы, стимулирующие развитие более современных источников света. Многие россияне уже отказались от использования ламп накаливания в своих домах. Тем не менее, некоторые из их преимуществ уникальны. Например, высокая цветопередача важна для фотографии и кинопроизводства. Многие специальные осветительные приборы до сих пор работают только по старой технологии. Некоторые просто берегут глаза и используют лампочки Ильича. А для помещений с коротким периодом освещения раз в неделю лампа накаливания является даже самым экономически выгодным вариантом. Выбор за отдельным потребителем!

Как работает лампочка

Мы уже познакомили вас с историей лампочки и основными принципами ее работы. В этой статье мы более подробно остановимся на устройстве этого светового прибора, выясним, какие типы ламп представлены сегодня на рынке, и подробно рассмотрим принцип генерации света.

Содержание статьи:

Устройство лампы накаливания

В этом осветительном приборе всего 8 компонентов, и мы подробно поговорим о каждом из них:

Лампочка. Чаще всего он изготавливается из обычного стекла, и его основная функция – защита внутренних компонентов от внешних факторов. Внутреннее пространство искусственно вакуумируется или заполняется инертными газами, которые не подвержены воздействию тепла.

Резьбовое металлическое основание является базой. Система нити накаливания была изобретена Томасом Эдисоном еще в 14 веке.

Нить накаливания – это часть лампы, которая излучает свет при нагревании.

Для фиксации нити используются два специальных крючка.

Крючки, в свою очередь, крепятся к двум электродам.

Электроды держатся на штенгеле – разновидности ножки, которая вставляется в основание. На нем, внутри стеклянного пузыря, хранится все устройство.

Конечно, на современном рынке электротоваров представлены и различные модификации лампочек, с измененным цоколем, без держателей, с колбой не из обычного стекла, а из матового для более мягкого рассеянного света, но так или иначе все они используют один и тот же принцип действия.

Как работают лампочки

Электрический ток проходит через основание и все остальные элементы, достигая нити накаливания из вольфрама. Использование этого металла обусловлено тем, что он является самым дешевым из тугоплавких проводящих материалов. А благодаря вакууму, создаваемому внутри лампы, нить накаливания может гореть очень долго.

Длина и толщина самой нити напрямую влияют на эксплуатационные характеристики изделия. Чем длиннее и шире вольфрамовая нить, тем ярче светит лампа.

Типы лампочек

Существует несколько основных типов лампочек, которые мы все видим вокруг себя каждый день. Они отличаются только формой луковицы, ее покрытием и наполнением, а также назначением.

Колбы могут быть сферическими, цилиндрическими или трубчатыми. Это никак не влияет на качество изделия, все зависит от каркаса, в который должен быть вставлен светильник, а также от общего дизайна интерьера.

Основные типы покрытий: прозрачное (обычное стекло), матовое и зеркальное. Классические покрытия отлично подходят для домашнего использования, зеркальные, наоборот, создают своеобразный акцент, поэтому хороши для витрин и других дизайнерских решений, а матовые, как мы уже говорили, увеличивают мягкость рассеивания света.

Читайте далее: