№ 856. Почему электрические лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения?
В момент включения сила тока во много раз больше номинальной, так как сопротивление холодной нити мало.
Источник:
Решебник по физике за 10, 11 класс (А.П. Рымкевич, 2001 год),
задача №856
к главе «ГЛАВА X. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ. 40. Электрический ток в металлах, полупроводниках, вакууме».
Почему лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения
Обычная ситуация: нажимаете выключатель, короткая вспышка, и очередная лампочка накаливания “приказала долго жить”. Помянув недобрым словом производителя, делаете замену. Многие слышали, что время работы должно быть не менее 1000 часов. Так почему же она прослужила всего пару недель вместо нескольких месяцев?
В основном, срока работы ламп накаливания зависит от условий эксплуатации ламп и присущими этому типу источников света недостатками. Прежде чем углубиться в подробный анализ причин, влияющих на время работы, отметим очень важный факт: лампочки перегорают, как правило, в момент их включения. И тому есть объяснение, правда, не очень простое и очевидное.
“Сердцем” всех ламп накаливания является вольфрамовая спираль, которую светотехники предпочитают называть “телом накала”. Тело накала изготавливают из тонкой вольфрамовой проволоки, навитой в форме спирали.
Технология изготовления довольно сложна, требует высокоточного оборудования и жесткого соблюдения технологии. От качества изготовления спирали во многом зависит дальнейшее время службы ламп. Ведь ей предстоит работать при температуре почти 3000 градусов.
При такой высокой температуре начинаются процессы, которые, в конечном счете, “губят” лампу. Прежде всего, это испарение вольфрама. Проволока становится тоньше и появляется небольшой перепад диаметра проволоки. В этом месте испарение ускоряется и лампа перегорает.
Процесс довольно длительный и, при нормальном напряжении, лампа вполне может отслужить 1000 часов. Замедлить испарение можно наполнением колбы инертным газом, например, криптоном. В продаже можно найти подобные лампы по грибообразной форме колб.
Второй процесс связан со структурой вольфрама. При изготовлении проволоки вольфрам имеет структуру с мелкими кристаллами вытянутой формы. Разогрев до высоких рабочих температур вызывает рост (укрупнение) кристаллов. Такой процесс называется рекристаллизацией вольфрама. Площадь межкристаллической поверхности при этом значительно (в сотни раз) уменьшается. Примеси, которые неизбежно присутствуют в металле, собираются между кристаллами и образуют чрезвычайно хрупкое соединение – карбид вольфрама.
И, наконец, рассмотрим третий процесс, который обычно ставит точку в жизни лампы. Нужно помнить, что сопротивление вольфрама в холодном состоянии заметно (в 9-12 раз) меньше, чем при рабочей температуре в 3000 градусов. Поэтому при первом включении через лампочку, в соответствии с законом Ома, проходит ток, в соответствующее число раз превышающий рабочий. При прохождении тока через проводник возникают электродинамические силы. При этом спираль подвергается механическому воздействию.
А теперь можно проследить последовательность явлений рокового для лампы включения. После нажатия выключателя через холодную спираль проходит ток, на порядок превышающий рабочий. К спирали прикладывается кратковременное механическое усилие, подобное рывку. В месте, где проволока стала тоньше за счет испарения, возникают повышенные нагрузки и спираль ломается по хрупкому шву карбида вольфрама. Дальнейшее понять просто: в месте трещины вольфрам разогревается до плавления и лампа “гибнет”.
Все эти процессы многократно ускоряются при повышенном напряжении питания ламп. Увеличение напряжения на 3% уменьшает время службы лампы на 30%. Если в квартире напряжение выше номинального (220В) значения на 10%, то лампы накаливания будут служить всего несколько суток.
Очень сильно продолжительность жизни ламп зависит от частоты включения. У производителя на стендах лампы испытываются при стабильном напряжении и определенной частоте включений в час. По результатам подобных испытаний и указывается средний период службы источников света.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Почему так часто перегорают лампы накаливания?
В последнее время очень многие начали сталкиваться с проблемой частого перегорания ламп накаливания у себя в квартирах. Лампы накаливания должны служить одну тысячу часов, но реально они сгорают намного быстрее. И если еще лет десять назад с этим нехорошим явлением можно было мириться, так как лампы стоили копейки, то сейчас это уже становится настоящей проблемой. Цены на лампы накаливания растут, а срок их службы, увы, постоянно снижается.
Основные причины быстрого выхода из строя ламп накаливания
1. Некачественные лампы
Качество ламп накаливания отечественного производства оставляет желать лучшего. Почему-то наиболее быстро сгорают небольшие по мощности лампы (до 60Вт), как раз те, которые наиболее часто используются в освещении в быту). Все отечественные заводы приблизительно одинаковы по качеству. Из всех отечественных предприятий наиболее качественной считается продукция Калашниковского электролампового завода.
Если раньше отечественные лампы проигрывая в качестве, выигрывали в цене, то, в настоящее время, когда нет большой ценовой разницы между местными лампами накаливания и продукцией мировых производителей светотехники (GE, Philips, Osram), предпочтение стоит отдавать второй группе.
При покупке ламп необходимо обращать внимание на несколько ключевых особенностей.
Вопрос только в том, а виноваты ли именно сами лампы? Прежде чем бежать в магазин и покупать импортные лампочки, давайте возьмем в руки мультиметр и измерим напряжение у себя в квартире, причем измерять желательно несколько раз в разное время суток. Это для того что бы представить всю полноту картины.
2. Высокое напряжение в квартире
Главный из факторов, влияющих на срок службы лампы накаливания — это высокое напряжение в электрических сетях у нас в квартирах.
Срок службы лампы накаливания очень сильно зависит от качества питающего напряжения. С повышением напряжения возрастает температура вольфрамовой нити накала, атомы вольфрама начинают интенсивно испарятся, нить утончается, наблюдается потемнение колбы и в конце концов нить накала обрывается, т.е. повышенное напряжение очень сильно сокращает срок службы лампы накаливания. Так, из справочных данных, отклонение напряжения от номинального всего на 1% уменьшает срок службы лампы на 14%.
Что можно предпринять если у Вас в квартире стабильно повышенное напряжение?
Во-первых, можно использовать лампы накаливания на рабочее напряжение 230 — 240 В (в магазинах также продаются обычные лампы на напряжение 220 — 230 В). Многие предприятия-изготовители зная ситуацию с напряжением выпускают такие лампы. Просто при покупке надо обращать на то, что написано на упаковке и это вполне может решить проблему.
Во-вторых, можно использовать вместо ламп накаливания компактные люминесцентные лампы. Повышенное питающее напряжение на их срок службы никак не влияет.
В-третьих, лампы накаливания можно подключать через специально электронное устройство, которое называется блок защиты ламп накаливания. Такие блоки защищают лампы накаливания от перепадов напряжения в сети и обеспечивают им плавный пуск, благодаря чему лампы защищаются от бросков тока в момент включения. Наиболее популярные блоки защиты ламп накаливания — «Гранит» от Ноотехника. Блоки защиты устанавливаются на каждый отдельный выключатель. Если управляемая мощность большая, то блоки можно крепить на стену или устанавливать на потолке.
В-четвертых, можно купить стабилизатор напряжения. Наиболее удобно его установку запланировать на стадии ремонта и замены электропроводки в квартире. Выделите всю осветительную сеть в одну или несколько групп и поставьте на них один стабилизатор напряжения.
3. Плохие контакты в патронах ламп, сгоревшие патроны
Большинство патронов отечественных светильников выполнены из пластика, причем в недорогих светильниках и пластик не очень качественный. Керамические патроны используются очень редко. Использовать в пластиковых патронах можно только лампочки мощностью не более 40 Вт, иначе патроны начинают растрескиваться и выгорать. В процессе работы окисляются и подгорают контакты в патронах. При плохих контактах в патронах лампы дополнительно нагреваются и выходят из строя.
Если у Вас лампы накаливания постоянно сгорают только в одной люстре, периодически слышен треск и лампы в процессе работы самопроизвольно меняют яркость, то причина может быть именно в плохих контактах в патронах для ламп.
Контакты можно зачистить, подгоревшие патроны заменить, в идеале, лучше всего заменить сам светильник. Не используйте в светильниках лампы мощностью большей, чем допустимо по паспорту светильника!
Если Вам не хватает света, перейдите на компактные люминесцентные лампы. Подумайте, будучи фанатичным любителем ламп накаливания мы в итоге упираемся в наклейку на патроны «максимум 40 Вт», что фактически ограничивает световой поток и освещенность в нашей комнате. А используя компактные люминесцентные лампы освещенность в комнате можно увеличить в несколько раз, при этом не превышая максимальную тепловую нагрузку на патроны и токоведущие части светильника!
4. Некачественный или поломанный с подгоревшими контактами выключатель
Причиной постоянного сгорания ламп накаливания может быть плохо работающий выключатель. Разберите выключатель и посмотрите состояние его контактных элементов (правда не у всех выключателей контакты открыты). Любой выключатель имеет свой срок службы и периодически их надо менять.
Если выключатель искрит (чаще всего из-за дребезга контактов), имеет нагар в области контактов, или имеются следы почернения на проводах под винтами в зажимах выключателя, то от такого выключателя нужно избавляться.
Часто диагностировать причину сгорания лампочек из-за выключателя без его разборки можно исходя из того, что постоянно перегорают лампы, которые управляются какой-то одной клавишей выключателя.
При замене выключателя целесообразно установить диммер, который позволит менять яркость света в комнате и будет защищать лампы от скачков тока в момент включения.
5. Некачественное подключение проводов люстры к сети или плохие контакты в распаечных коробках, квартирном электрощитке
От качества контактов в электропроводке зависит надежная работа всех электроприборов в квартире. Часто причиной перегорания ламп является плохо сделанные или со временем ослабшие контакты в местах соединения проводов. Особенно часто такие явления наблюдаются, когда электропроводка в квартире выполнена алюминиевым проводом.
Если ничего из вышеизложенного не помогает решить проблему постоянного перегорания ламп накаливания, то дело, скорее всего, в контактах. Необходимо провести диагностику всей электропроводки, начиная с места подключения светильника (особо обращайте внимание на почерневшие провода в местах соединения) и везде подтянуть или переделать контакты.
Сейчас продается очень много различных современных соединителей, используя которые можно значительно улучшить работу электропроводки в квартире. Если Вы не имеете специального образования и соответствующего ему опыта работы, то эту работу лучше всего возложите на плечи знакомого электрика.
почему электрические лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения
Кроме того, что при включении идет большой пусковой ток (сопротивление вольфрама, при нагреве от комнатной температуры до рабочей, изменяется в 144 раза) , еще в лампу натекает воздух (когда она теряет свою герметичность) .
Вот в момент включения, когда в лампу уже просочилось немного воздуха, ее нить уже не так быстро нагревается, да еще и идет ее интенсивное испарение (окисление) на маленьком участке. Вот в такой момент она и перегорает со взрывом!
Остальные ответы
Потому, что именно в этот момент вольфрамовая нить начинает раскаляться и расширяться. Если до этого на ней образовался дефект, то в этом месте она разрушается.
У холодной вольфрамовой спирали сопротивление в момент включения минимальное соответственно ток через лампочку максимальный. Когда-то спирали для ламп делали из угольной нити, и одну такую нашли в начале 80-х, отработала 90 лет.