ЛАМПА, ВСЁ О ЛАМПАХ, ВИДЫ ЛАМП
Лампа накаливания. Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.
Лампы накаливания — самый дешевый вариант светильников. Их срок службы составляет в среднем около одного года, кроме того, такие лампы имеют высокое энергопотребление.
Принцип действия. В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.
Лампа накаливания на 36 ВЧасть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 5770 K недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампы делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Конструкция. Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, заполенной буферным газом и ограждающей нить накала от окружающей среды.
Колба. Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Буферный газ. Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами. 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. Двойная спираль лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и держателями нитиНить 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 , или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампу должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон. Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мигающем режиме.
Цоколь. Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы.
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.
КПД и долговечность. Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряженияПочти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. 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 в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого же лампу подключают последовательно с диодом. Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя. Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели. Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной. 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 лампы | КПД (%) | Яркость (Лм/Вт) |
---|---|---|
40 W Лампа накаливания | 1,9 | 12,6 |
60 W Лампа накаливания | 2,1 | 14,5 |
100 W Лампа накаливания | 2,6 | 17,5 |
Галогенные лампы | 2,3 | 16 |
Металлогалогенная лампа (с кварцевым стеклом) | 3,5 | 24 |
Высокотемпературная лампа накаливания | 5,1 | 32 |
Абсолютно чёрное тело при 4000 K | 7 | 47,5 |
Абсолютно чёрное тело при 7000 K | 14 | 95 |
Идеально белый источник света | 35,5 | 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 2000—4000 часов. При этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт. Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё. Трансформатор и электронный инвертор для питания 12-вольтных галогеновых лампДобавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла выше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Малый объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжёлыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность. Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварцевого стекла. Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой). Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут быть использованы как прямая замена обычных галогенных ламп.
Специальные лампы. 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 для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.
История изобретения.
— 1809 г. англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью)
— 1838 г. бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.
— 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой.
— 11 июля 1874 года русский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.
— Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
— Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 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 Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.
— В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.
— В 1910 г. Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.
— Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 г. в фирме General Electric, придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.
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.
— 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.
Пока лампа Томаса Эдисона не завоевала популярность, люди спали по 10 часов в сутки.
Лампы накаливания
Лампа накаливания является наиболее распространённым искусственным источником света. Свет испускает нагретая протекающим электрическим током металлическая спираль.
Для получения света с использованием данного вида ламп используется эффект нагревания нити накаливания (проводника) при протекании электрического тока через нее. Температура используемого проводника (в большинстве случаев это вольфрамовая нить) резко возрастает при подаче тока. По закону Планка проводник ламп накаливания начинает излучать электромагнитное излучение. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн напрямую зависит от температуры. Согласно закону смещения Вина при повышении температуры максимум сдвигается в сторону с меньшими длинами волн.
Температура в несколько тысяч градусов создает видимое излучение. При уменьшении температуры доля видимого излучения также уменьшается и кажется более «красным». Лампа накаливания в излучение преобразует лишь часть потребляемой энергии. Основная часть «теряется» в результате процессов конвекции и теплопроводности. Основная доля излучения приходится на инфракрасное и только малая часть попадает в область видимого света. Для получения максимально «белого» излучения и увеличения КПД ламп накаливания необходимо повышение температуры проводника, однако данный параметр ограничен его температурой плавления.
Для создания современных ламп накаливания используют материалы с максимальной температурой плавления — вольфрам (3410 °C) и, осмий (3045 °C). При достигаемом диапазоне температур от 2300 до 2900 °C лампа накаливания излучает не дневной и не белый свет, а скорее «желто-красный» по сравнению с дневным. В качестве характеристики света используют так называемую цветовую температуру. При рабочих температурах лампы накаливания используемый в качестве проводника вольфрам мгновенно превращается в оксид на открытом воздухе. В связи с этим вольфрамовая нить защищается заполненной инертным газом (чаще всего аргоном) стеклянной колбой.
Первые ламы накаливания изготавливались с вакуумными колбами. Однако находящаяся в вакууме вольфрамовая нить под воздействием высокой температуры быстро испарялась, уменьшая толщину и затемняя колбу оседающими испарениями. Позднее колбы ламп накаливания стали заполнятся химически нейтральными газами. В настоящее время вакуумные колбы используются только при изготовлении маломощных ламп.
Лампа накаливания состоит из контактных проводников, цоколя и стеклянной колбы, которая ограждает нить накала от воздействия окружающей среды. Колба предотвращает сгорание нити накала под воздействием высоких температур в окружающем воздухе. Размер колбы лампы накаливания определяет скорость осаждения материала проводника. При изготовлении ламп большой мощности используются колбы большого размера. Это позволяет распределять по большей поверхности осаждаемый материал нити, не оказывая сильного влияния на прозрачность.
Первые лампы были с вакуумными колбами. Современные лампы накаливания заполняют буферными газами. Это делается для уменьшения скорости испарения материала проводника. Потери тепла, возникающие за счет теплопроводности, сокращают выбираемым газом (чем тяжелее молекулы газа — тем меньше потери). Использование смеси аргона и азота значительно уменьшает себестоимость лампы. Более дорогие лампы накаливания содержат ксенон или криптон. В первых лампах в качестве нити накаливания использовался уголь. В современных лампах в большинстве случаев используется спираль из осмиево-вольфрамового сплава.
Наиболее распространённой формой проводника является двойная спираль. При включении сопротивление нити накала намного меньше рабочего, поскольку она находится при температуре окружающей среды. Поэтому в момент включения через нить накала протекают очень большие токи превышающие рабочие в 2 — 3 раза. При нагревании в процессе работы сопротивление нити накала увеличивается, а ток соответственно уменьшается. Первые лампы накаливания с используемыми угольными проводниками работали с обратным принципом — при повышении температуры сопротивление уменьшалось и свечение нарастало. Томас Эдисон предложил форму цоколя с резьбой. Размеры цоколей современных ламп накаливания стандартизированы.
Долговечность и КПД лампы накаливания
Практически вся энергия, подаваемая в лампу, преобразуется в излучение. Однако лишь небольшой диапазон длин волн данного излучения доступен человеческому глазу. Большая часть излучения находится в инфракрасном диапазоне, который является невидимым, и воспринимается как тепло. КПД ламп накаливания достигает максимального значения при температуре около 3400 K, и равняется 15 %.
При основных рабочих температурах в 2700 K коэффициент полезного действия составляет лишь 5 %. Как видно при увеличении температуры КПД ламп накаливания возрастает, однако существенно уменьшается её срок службы. При рабочей температуре нити накаливания равной 2700 K срок службы лампы составляет около 1000 часов, а при 3400 K лишь несколько. При 20 % увеличении напряжения яркость лампы возрастает почти в два раза. При этом срок службы сокращается на 95 %.
Двукратное уменьшение напряжения (достигается последовательным включением) значительно уменьшает коэффициент полезного действия, но увеличивает срок службы почти в тысячу раз. Данным свойством часто пользуются, при обеспечении надежного дежурного освещения для которого не требуется большой яркости, например, для создания освещения лестничных площадок. Ограниченность срока службы ламп накаливания в большей степени обусловлена возникновением неоднородностей в нити накала и в меньшей степени испарением материала, из которого изготавливается подводник.
Неравномерность испарения материала нити влечет за собой возникновение истончённых участков, на которых повышается электрическое сопротивление, что в свою очередь приводит к большему нагреву и испарению материала на данных участках. Когда один из этих участков истончается настолько, что температура приводит к плавлению материала нити в этом месте или полному испарению, ток, проходящий через нить накала, прерывается и лампа перегорает.
Галогенные лампы накаливания
Галогеновая лампа является лампой накаливания с подводником из вольфрама, который расположен в кварцевой колбе, которая заполняется газом из группы галогенов.
Галогеновая лампа накаливания по принципу действия и структуре сравнима с лампой накаливания, однако она содержит в газе-наполнителе небольшие добавки галогенов (йод, хлор, фтор, бром) или их соединения. При помощи данных добавок при определенном температурном режиме практически полностью устраняется затемнение колбы и связанное с этим уменьшение светового потока.
Это обуславливается тем, что атомы йода или другого галогена совместно с атомами остаточного кислорода вступают в химическую реакцию с испарившимися атомами вольфрама. Данный процесс является обратимым — под воздействием высокой температуры образовавшееся соединение распадается на составные элементы. Высвобожденные таким образом атомы вольфрама оседают либо на самой нити накала либо вблизи нее. Использование галогенов предотвращает оседание вольфрама на колбе при условии ее температуры более 250 °C.
Благодаря отсутствию почернения колбы существует возможность изготовления галогеновых ламп компактного размера. Небольшой объем позволяет использовать большое рабочее давление (уменьшает скорость испарения вольфрама) и без значительного удорожания использовать тяжелые инертные газы для заполнения колбы (уменьшает потери энергии за счет теплопроводности). Данные факторы значительно увеличивают срок службы галогеновых ламп, и увеличивает их эффективность. Использование йода или бромов буферном газе увеличивает срок службы галогеновой лампы до 2000 — 4000 часов. Рабочая температура составляет около 3000 К. Галогеновые лампы достигают эффективности 28 лм/Вт.
Ввиду высоких рабочих температур любое загрязнение поверхности (например, отпечаток пальца) быстро сгорает во время работы, что приводит к почернению. Данные почернения ведут к локальным повышениям температуры на поверхности колбы, что приводит к ее разрушению. По причине высоких рабочих температур колбы изготавливаются из кварца.
Последним направлением в развитии ламп является IRC-галогенные лампы (IRC — инфракрасное покрытие). При изготовлении данных ламп на колбы наносится специальное покрытие, пропускающее видимый свет и задерживающее тепловое (инфракрасное) излучение, отражая его обратно, к спирали. Данный процесс уменьшает потери тепла при этом увеличивает эффективность лампы.
Лампы накаливания
Ед. изм.
Валюта
Лампа накаливания: Устройство, математическая составляющая и принципа действия
Лампа накаливания — это не просто источник света, но и настоящее техническое чудо, которое стоит за столь долгой историей развития освещения. Однако, чтобы в полной мере понять принцип ее работы и оптимизировать процессы, связанные с лампами накаливания, необходимо обратить внимание на математические аспекты, лежащие в ее основе.
Именно поэтому в данной статье мы сосредоточимся на математической составляющей устройства и функционирования ламп накаливания. Проанализируем уравнения, описывающие тепловые и электрические процессы внутри лампы, и рассмотрим, какие математические модели используются для определения ее характеристик.
Помимо этого, мы не забудем подчеркнуть важность ламп накаливания как одного из первых источников искусственного света в человеческой истории. Несмотря на появление новых технологий и источников света, лампы накаливания остаются символом научных и технических достижений своего времени и имеют свое место в современном мире. Рассмотрим их важность как культурного и технического феномена, и как математика помогает сохранить их актуальность и эффективность.
История и эволюция ламп накаливания
Изобретение лампы накаливания Томасом Эдисоном
История лампы накаливания началась в 19 веке, и одним из ключевых моментов стало изобретение лампы накаливания Томасом Эдисоном в 1879 году. Эдисон был американским изобретателем и предпринимателем, и его работа над лампой накаливания имела огромное значение.
Математический аспект в этом изобретении заключался в расчете и оптимизации физических параметров лампы. Эдисон провел множество экспериментов с различными материалами для нити (филамента) лампы, чтобы найти такой материал, который при нагреве достаточно быстро становился светящимся, но при этом не перегорал. Он использовал математические модели и экспериментальные данные для подбора оптимальных параметров нити, что позволило создать более долговечные и эффективные лампы накаливания.
Эволюция ламп накаливания и математические аспекты
После изобретения лампы накаливания Эдисоном началась активная эволюция этой технологии. Одним из важных моментов стала оптимизация формы колбы лампы, что также имело математические аспекты. Математические модели использовались для определения оптимальной геометрии колбы, которая обеспечивала лучшее распределение света и эффективное охлаждение филамента.
Кроме того, важным математическим аспектом было определение эффективности лампы и расчеты, связанные с энергопотреблением и тепловым излучением. Эти расчеты позволили сделать лампы накаливания более эффективными и экономичными.
Со временем лампы накаливания подверглись дальнейшей эволюции, но важность математики в их разработке и усовершенствовании оставалась неизменной. Эти математические аспекты позволили сделать лампы накаливания более надежными, эффективными и долговечными, что способствовало их широкому распространению и использованию в течение многих десятилетий.
Устройство лампы накаливания
Лампа накаливания — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в световую и тепловую энергию с использованием принципа нагрева проводящей нити. Давайте подробно рассмотрим её компоненты:
- Стеклянная колба: Колба лампы накаливания изготавливается из стекла и представляет собой герметичную оболочку, которая защищает внутренние компоненты от внешней среды. Колба также служит для управления тепловой передачей и распределением света.
- Инертный газ: Внутри колбы лампы может быть создано вакуумное пространство или заполнено инертным газом, таким как аргон или ксенон. Это важно для управления теплопередачей, предотвращения окисления нити и увеличения долговечности лампы.
- Вольфрамовая нить накаливания: Нить (или филамент) лампы накаливания изготавливается из вольфрама. Вольфрам является идеальным материалом для нити, так как он обладает высокой электрической сопротивляемостью и высокой температурой плавления, что позволяет нити выдерживать высокие температуры без перегорания.
- Держатель для нити накаливания: Держатель фиксирует нить внутри колбы и обеспечивает ей необходимое положение. Он также является тоководом, передающим электрический ток на нить.
- Токовводящие электроды: Электроды представляют собой проводники, которые соединяются с цоколем лампы и через которые подается электрический ток на нить. Они обеспечивают электрическую связь между внешней сетью и нитью накаливания.
- Предохранитель: Предохранитель — это важный элемент, который обеспечивает защиту лампы от короткого замыкания и перегрузок электрического тока. Он предотвращает возможные аварии и повреждение лампы.
- Цоколь: Цоколь является основанием лампы и обеспечивает механическую и электрическую фиксацию лампы в сокете. Цоколь содержит контакты, которые соединяются с проводами электрической сети и обеспечивают подачу тока на нить.
Устройство и виды цоколя лампы накаливания
Цоколь лампы накаливания — это важная часть устройства, обеспечивающая электрическую связь между лампой и внешней сетью, а также механическую фиксацию лампы в сокете. Существует несколько видов цоколей, каждый из которых имеет свои особенности. Рассмотрим устройство и некоторые виды цоколей:
Устройство цоколя лампы накаливания:
Цоколь лампы накаливания состоит из следующих элементов:
- Контактные пины или выводы: Эти контакты обеспечивают электрическую связь между лампой и внешней сетью. Один из контактов обычно подключен к нити накаливания, а другой к общему проводу.
- Механическая база: Механическая база цоколя предназначена для фиксации лампы в держателе или подвеске. Её конструкция может различаться в зависимости от типа цоколя.
Виды цоколей лампы накаливания:
- Цоколь E27 (Эдисона): Этот вид цоколя широко распространен и используется для большинства обычных ламп накаливания. Он имеет диаметр 27 мм и винтовое соединение.
- Цоколь E14: Этот цоколь имеет меньший диаметр, 14 мм, и также используется для некоторых типов ламп накаливания, особенно в мелких светильниках.
- Цоколь B22 (баёнет): Цоколь B22 имеет контакты, выполненные в виде двух булавок, и часто используется в Великобритании и некоторых других странах.
- Цоколь GU10: Этот цоколь используется в галогенных и светодиодных лампах накаливания. Он имеет два контакта и обеспечивает хороший контакт для подачи тока.
- Цоколь G9: Ещё один цоколь, используемый для галогенных и светодиодных ламп накаливания. Он обеспечивает компактное и надежное соединение.
- Цоколь R7s: Используется в линейных лампах накаливания и имеет два контакта, разделенных некоторым расстоянием.
- Цоколь G4: Миниатюрный цоколь, используемый в маленьких лампах накаливания, часто встречается в осветительных приборах.
Процесс производства ламп накаливания
Производство ламп накаливания.
Принцип действия лампы накаливания
Лампа накаливания работает на принципе термоэлектрического излучения, при котором нить накаливания нагревается до очень высокой температуры, излучая при этом свет. Давайте рассмотрим физические процессы, происходящие внутри лампы накаливания, и соответствующие математические уравнения.
- Закон Ома и расчет тока: Начнем с уравнения Закона Ома, которое описывает отношение между напряжением (V), силой тока (I) и сопротивлением (R) нити накаливания: V=I*R Где V — напряжение, I — сила тока, R — сопротивление нити накаливания.
- Закон Стефана-Больцмана: Закон Стефана-Больцмана описывает количество энергии, излучаемой черным телом, включая нить накаливания. Этот закон можно представить следующим образом:
Где P — излучаемая мощность, σ — постоянная Стефана-Больцмана, A — площадь излучения (поверхность нити), T — температура нити в абсолютных шкалах (Кельвины).
Зависимость сопротивления от температуры: Сопротивление нити зависит от её температуры. Это можно описать уравнением:
Теперь объясним, как электрический ток приводит к нагреванию нити и излучению света:
- Сопротивление нити накаливания: Нить накаливания, обычно изготовленная из вольфрама, имеет высокое сопротивление электрическому току. Это сопротивление создает препятствие для движения электронов внутри нити, что приводит к их столкновениям с атомами в материале нити. В результате этого столкновения электроны передают свою кинетическую энергию атомам, вызывая нагревание нити.
- Излучение тепла: При нагреве нити атомы в ней начинают вибрировать более интенсивно. Эта интенсивная вибрация атомов ведет к выделению тепловой энергии в виде инфракрасного излучения. То есть, часть энергии, полученной от электрического тока, превращается в тепло.
- Излучение света: Когда нить накаливания достигает очень высокой температуры (обычно около 2700-3000 градусов Цельсия), она начинает излучать свет видимого спектра. Это излучение света, которое мы видим как свет от лампы накаливания, обусловлено тем, что при такой высокой температуре атомы вольфрама начинают переходить в возбужденные состояния и затем возвращаются к нижним уровням с излучением фотонов света.
Таким образом, электрический ток в лампе накаливания приводит к нагреванию нити из-за сопротивления, а нагретая нить излучает свет и тепло. По сути, лампа накаливания работает как нагревательный элемент, который при достижении определенной температуры начинает излучать световую энергию.
Преимущества и недостатки ламп накаливания сравнительно с другими источниками света с использованием математических моделей
Преимущества ламп накаливания:
- Цветовая температура и спектральная характеристика: Лампы накаливания имеют близкий к истинному солнечному свету спектр, что позволяет им обеспечивать хорошую цветопередачу (близкую к единице). Математически это может быть оценено с использованием индекса цветопередачи (CRI).
- Плавный спад световой интенсивности: Лампы накаливания имеют плавный спад световой интенсивности с увеличением времени работы, что делает их подходящими для сценического освещения. Математически этот процесс может быть описан экспоненциальным уравнением убывающей световой интенсивности.
Недостатки ламп накаливания:
- Низкая эффективность: Лампы накаливания имеют низкий КПД (коэффициент полезного действия) по сравнению с другими источниками света. Большая часть энергии идет на нагрев нити, что описывается законом Джоуля-Ленца. Математически это можно выразить отношением излучаемой световой мощности к общей потребляемой мощности.
- Короткий срок службы: Лампы накаливания имеют сравнительно короткий срок службы, особенно по сравнению с LED-лампами. Это можно выразить математически как отношение количества часов работы к сроку службы.
- Высокие затраты на энергию: Из-за низкой эффективности ламп накаливания потребляют больше энергии для создания определенного уровня света, что можно оценить математически как отношение потребляемой мощности к выходной световой мощности.
Цветопередача и другие характеристики ламп накаливания с математическими аспектами:
- Индекс цветопередачи (CRI): Этот индекс оценивает способность источника света точно воспроизводить цвета по сравнению с истинным солнечным светом. CRI оценивается математически сравнением спектра света источника с эталонным спектром.
- Цветовая температура (CCT): Эта характеристика описывает цвет света, излучаемого лампой. Она измеряется в Кельвинах и может быть определена математически по спектральной характеристике.
- Световой поток и освещенность: Световой поток (в люменах) и освещенность (в люксах) связаны с математическими уравнениями, описывающими интенсивность света и его распределение на поверхности.
- Уровень освещенности и расчет освещения: Уровень освещенности помещения может быть рассчитан с использованием математических моделей, учитывающих световой поток, распределение света и геометрию помещения.
Лампы накаливания, несмотря на свои преимущества в цветопередаче и спектральных характеристиках, имеют существенные недостатки, связанные с эффективностью и долговечностью. Математические модели позволяют точно оценивать и сравнивать эти характеристики с другими источниками света, что помогает выбирать наиболее подходящее решение для конкретных задач освещения.
Современное применение ламп накаливания с учетом математических аспектов
- Декоративное и антикризисное освещение: Лампы накаливания всё ещё используются в декоративных и антикризисных светильниках. Их теплый свет и классический вид делают их популярными в ресторанах, кафе и местах с выдающимися архитектурными деталями. Математические модели могут помочь оптимизировать распределение и интенсивность света для создания желаемой атмосферы.
- Антикварное освещение: Лампы накаливания остаются востребованными в антикварных светильниках и подвесках. Расчеты могут быть использованы для выбора ламп определенной мощности и формы для сохранения аутентичности.
- Специализированные применения: В некоторых случаях лампы накаливания используются в специализированных областях, таких как инкубаторы и тепличное земледелие. Математические модели могут помочь оптимизировать тепловые параметры для улучшения условий выращивания растений.
Перспективы развития технологии ламп накаливания в будущем:
- Улучшенная эффективность: В будущем можно ожидать разработки ламп накаливания с более высокой эффективностью. Это может включать в себя улучшенные материалы для нитей накаливания и оптимизацию формы колбы для лучшей теплопередачи. Математические модели будут играть важную роль в оптимизации этих параметров.
- Интеграция с умными системами освещения: Лампы накаливания могут стать частью умных систем освещения, где они будут управляться с помощью сенсоров и алгоритмов. Математические модели будут использоваться для оптимизации расписания работы и яркости.
- Развитие экологически чистых версий: Разработка ламп накаливания, не содержащих опасных веществ, таких как ртуть, будет важным направлением. Математические расчеты могут помочь оптимизировать производственные процессы и материалы.
- Работа в синергии с другими источниками света: Лампы накаливания могут быть интегрированы в гибридные системы освещения, работая вместе с более эффективными источниками света, такими как LED. Математические модели помогут определить оптимальное сочетание и режим работы.
- Исследование в области наноматериалов: Исследования в области наноматериалов могут привести к созданию новых типов нитей накаливания с улучшенными свойствами. Математические аспекты могут быть использованы для оценки и прогнозирования характеристик таких материалов.
Заключение
Понимание устройства и принципа действия ламп накаливания в историческом и техническом контексте является неотъемлемой частью нашей культурной и технологической истории. Эти лампы, изобретенные Томасом Эдисоном и другими исследователями, стали первыми источниками искусственного света, что имело огромное значение для человечества.
Исследования и математические аспекты, связанные с лампами накаливания, позволили нам лучше понять тепловые и электрические процессы, происходящие внутри них. Это позволило улучшить их дизайн, эффективность и долговечность. Важность этих исследований нельзя недооценивать, так как они дали начало современной электрической освещенности.
Сегодня, несмотря на снижение популярности ламп накаливания в связи с появлением более эффективных источников света, они остаются значимой частью истории освещения и имеют свое место в некоторых приложениях. Их теплый и мягкий свет делает их идеальным выбором для декоративного освещения, создания атмосферы и воссоздания антикварных светильников.
Таким образом, лампы накаливания олицетворяют собой историю и технологию освещения, и, хотя их популярность может уменьшаться, они всегда будут иметь свое уникальное место в нашей культурной и технической памяти, а также в некоторых сферах освещения в будущем.
- 03.09.2023
Конструкция, преимущество и недостатки ламп накаливания
В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:
- Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
- Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
- Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
- Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.
В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.
Принцип работы электрической лампы накаливания
Свечение электрической лампы накаливания обусловлено разогревом вольфрамовой нити, через которую проходит электрический ток. Выбор в пользу вольфрама при изготовлении тела свечения был сделан по той причине, что из многих тугоплавких токопроводящих материалов, он наименее дорогой. Но иногда нить накала электроламп изготавливается из других металлов: осмия и рения.
Мощность лампы зависит от того, какого размера нить используется. То есть, зависит от длины и толщины проволоки. Так у лампы накаливания 100 вт нить будет иметь большую длину, чем у лампы накаливания 60вт.
Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы
Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:
- Колба. Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
– высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
– жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт — 100°C, 40 Вт — 145°C);
– твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании. - Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
- Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
- Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
- Цоколь изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
— соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
— служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
— является одним контактом.
Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.
Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:
Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.
Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.
История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания
За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.
А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.
1854 год – первая практичная лампа. Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.
1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.
1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.
1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.
1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.
1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.
1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.
1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.
1909 год – наполнение колб аргоном.
С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.
Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света
Для освещения создана масса различных осветительных приборов. Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:
- Дешевизна при производстве.
- Нечувствительность к перепадам напряжения.
- Быстрое зажигание.
- Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
- Наличие возможности регулировки яркости источника света.
- Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
- Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
- Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
- Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
- Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
- Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
- Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
- Бесшумность работы.
- Не создаёт радиопомех.
Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:
- Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
- Короткий срок службы.
- Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
- Чувствительность к встряске и вибрации.
- Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
- Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.
Несмотря на наличие существенных недостатков, электрическая лампа накаливания является безальтернативным прибором освещения. Низкий КПД компенсируется дешевизной производства. Поэтому в ближайшие 10 – 20 лет она будет вполне востребованным товаром.
Рекомендуем прочитать:
- Обзор автомобильных ламп: типы цоколя, назначение
- Сравнение разных типов ламп
- Ремонт энергосберегающих ламп своими руками
- Инфракрасные лампы: тепло с оздоравливающим эффектом