Лампы накаливания — это искусственные источники света, которые излучают свет за счет нагревания тела накала электрическим током. Тело накала обычно состоит из спирали из вольфрама, помещенной в стеклянную колбу с инертным газом.
Лампы накаливания имеют разные формы, мощности, цоколи и цвета света. Они применяются для освещения жилых, общественных и промышленных помещений, а также для декоративных и специальных целей.
Лампы накаливания имеют низкий коэффициент полезного действия, так как большая часть энергии тратится на излучение тепла, а не света. Кроме того, они имеют небольшой срок службы, так как тело накала со временем испаряется и обрывается. Поэтому лампы накаливания постепенно вытесняются более эффективными и долговечными источниками света, такими как светодиодные, галогеновые и люминесцентные лампы.
В развитии ламп накаливания можно наметить несколько периодов. В первый период (с 1800 до 1880 г.) созданы лампы накаливания, телом накала которых служил уголь.
В разработке ламп накаливания участвовали различные ученые и инженеры. Наибольший вклад внесли Джозеф Свон, Александр Лодыгин и Томас Эдисон.
Начиная с шестидесятых годов XIX века, наблюдается сильный подъем интереса к применениям электричества. Успехи, достигнутые в применении открытия Фарадея для построения генераторов электрического тока, уже давали возможность получать электрическую энергию в достаточном количестве и достаточно экономично.
Физические явления, которые позволяли превращать энергию электрического тока в световую, были известны уже давно. И вот, изобретатели всех стран и народов бросились изо всех сил искать таких конструкций, которые допускали бы практическое использование этих явлений.
Еще в 1809 году Жерар Деларю придумал лампу с нитью накаливания в виде спирали из платины.
В сороковых и пятидесятых годах много работал над этими лампами французский инженер Шарль де Шанжи. Его конструкции сильно приближались к конструкциям, получившим впоследствии применение, но сами они, все же, дальше лабораторныхопытов не пошли.
Большая заслуга в создании электрических ламп накаливания принадлежит Александру Ладыгину, который разработал конструкцию лампы накаливания с угольной нитью в 1872 году и создал первые образцы ламп, пригодных для работы. В 1878 году свою лампу с угольной нитью продемонстрировал Джозеф Свон.
Над усовершенствованием лампы накаливания настойчиво работал Томас Эдисон, который в 1879 году предложил конструкцию лампы накаливания, основные принципиальные элементы которой сохранились до настоящего времени.
Электрическая лампа накаливания Александра Лодыгина
Электрические лампы накаливания Джозефа Свона (слева) и Томаса Эдисона (справа)
Второй период (с 1880 по 1890 г.) характеризуется быстрым развитием ламп накаливания с угольным телом накала. В этот период появились лампы мощностью от 10 до 120 Вт и большим сроком службы (от 700 до 2 000 ч), обладавшие, однако, низкой световой отдачей (от 2 до 3,5 Лм на Вт).
Лампа накаливания с угольной нитью, разработанная Эдисоном, нашла широкое применение и постепенно вытеснила предшествующие ей керосиновые и газокалильные лампы.
Третий период (с 1890 до 1900 г.). Низкая световая отдача ламп накаливания с угольной нитью вызвала попытки создания лампы с металлизированной угольной нитью, которые успеха не имели.
Четвертый период (с 1900 г. до начала 1960-х гг). В течение этого периода получают распространение лампы с металлическим телом накала.
В 1898 г. появились лампы с осьмиевой нитью накаливания, которые из-за достаточно низкой температуры плавления осьмия распространения не получили. В 1902 г. появляются лампы с танталовой и в 1903 г. — с вольфрамовой нитью накаливания.
В 1906 — 1909 гг. разработана технология получения вольфрамовых нитей путем протяжки через калиброванные отверстия. В 1909 г. стали применяться вольфрамовые лампы с зигзагообразным расположением нити накаливания.
Благодаря высокой температуре плавления (3660±60° К), малой скорости испарения, пластичности, позволяющей получить путем протяжки через калиброванные отверстия нити различных диаметров, и большой формоустойчивости вольфрамовых спиралей вольфрам стал непревзойденным материалом для изготовления тел накала ламп.
Для повышения прочности и формоустойчивости вольфрамовой спирали при высоких температурах к вольфраму добавляются присадки из окиси алюминия или окиси тория.
Молибденовые крючки, которые придают определенную форму телу накала и поддерживают ее в течение всего срока службы лампы, препятствуя провисанию тела накала.
Лампа с вольфрамовой нитью накала 1910-х годов
В 1913 г. появились газополные лампы с вольфрамовым спиральным телом накала, в 1934 г. — газополные лампы с биспиральным телом накала и в 1936 г. — биспиральные вольфрамовые лампы с криптоновым наполнением.
Пятый период. В начале 1960-х гг. появились лампы накаливания с йодным циклом (галогенные лампы накаливания). Эти лампы имели цилиндрическую кварцевую колбу, вдоль оси которой расположено тело накала.
Прямая реакция в галогенных лампах происходит на стенке колбы, удаляя с нее вольфрам, а обратная — на нити, возвращая на ее поверхность ранее испарившийся вольфрам.
Эти лампы имеют световую отдачу до 25 — 30 Лм на Вт при среднем сроке службы до 2000 ч.
Томми Доджен, 4 года, стоит у самой большой лампы накаливания в мире (Тампа, Флорида, 1947 год)
К стеклу колбы лампы накаливания предъявляются следующие требования: легкое сваривание, постоянный коэффициент расширения; бесцветность и устойчивая прозрачность, достаточно высокая механическая прочность (колба должна выдерживать легкие удары, сотрясения, ветровую нагрузку), температура размягчения стекла должна лежать в пределах от 400 до 590° С, стекло должно быть термостойким, выдерживать достаточно резкие колебания температуры.
Для наполнения ламп накаливания пользуются инертными газами и их смесями. Для уменьшения потерь на нагревание газа выгодно заполнять лампу тяжелыми инертными тазами или их смесями. К таким газам относятся азот, аргон и криптон.
Первые лампы накаливания наполнялись азотом. Большие тепловые потери у этих ламп заставили применять другие тазы.
Для уменьшения потерь на нагревание газа с 1920-х гг. использовали технический аргон (86%Аг + 14%N2). Чистым аргоном практически не пользовались из-за низкого напряжения зажигания разряда в аргоне по сравнению с азотом.
Для увеличения напряжения зажигания к аргону добавлялся азот. Эта добавка доходила до 16%. Чем выше номинальное напряжение лампы, тем больше азота добавлялось.
Затем максимально широко для наполнения ламп накаливания начали применять смеси криптона с азотом.
Криптон содержится только в воздухе и в очень малом количестве. Процентное содержание криптона в воздухе составляет 1/10000%.
Получение криптона в достаточных количествах освоено в середине XX века, но газ этот дорог. Поэтому при наполнении ламп смесью криптона с азотом приходилось очень внимательно подсчитывать экономическую целесообразность.
В первую очередь криптоном наполнялись маломощные лампы, у которых такое наполнение давало наибольший экономический эффект.
У вакуумных ламп давление остаточных газов в колбе после откачки 10-5 — 10-7 мм рт. ст. У газонаполненных ламп после откачки колба заполняется смесью инертных газов, давление которых у холодной лампы 600 мм рт. ст.
Старинные лампы накаливания в музее
У различных типов ламп форма тела накала бывает прямолинейной, спиральной, биспиральной, и у некоторых специальных типов ламп даже триспиральной.
Тело накала в виде прямолинейной нити имеют лишь лампы, использующиеся в осветительных установках, где в процессе эксплуатации они подвергаются сильной тряске, так как прямолинейное тело накала более формоустойчиво, чем спиральное.
Преобладающей формой тела накала является вольфрамовая спираль. Газополные лампы мощностью до 100 Вт делаются с телом накала в виде вольфрамовой биспирали.
Колбы различных типов ламп имеют различную форму, которая зависит от условий работы лампы и ее рабочего положения.
Наиболее распространенным типом цоколя лампы накаливания является резьбовой. Если в процессе эксплуатации лампа подвергается тряске, ее снабжают штырьковым цоколем. Лампы, предназначенные для работы в оптических системах, часто имеют специальные фокусирующие цоколи.
Самая старая непрерывно работающая лампа в мире ("столетняя лампа") на пожарной станции в Калифорнии (США)
Помимо нормальных осветительных ламп накаливания общего назначения, выпускалось большое количество и других типов ламп, предназначенных для работы в транспортных осветительных установках (трамвайные, железнодорожные, судовые, самолетные, автомобильные), в светооптических системах (прожекторные, проекционные, лампы для фар, лампы-фары, зеркальныё лампы), а также лампы светоизмерительные и специального назначения.
Номенклатура ламп накаливания во второй половине XX века насчитывало тысячи наименований ламп. Мировой выпуск этих ламп превышал несколько миллиардов штук в год, из них осветительные лампы составляли около 4 млрд. шт.
В настоящее время электрические лампы накаливания классифицируются преимущественно по их назначению. Каждый класс ламп разбивается на ряд типов по конструктивным особенностям.
Лампы одного типа отличаются друг от друга своими электрическими, светотехническими, экономическими и эксплуатационными характеристиками, конструктивными особенностями.
Самые распространенные лампы накаливания с цоколем Е27
До настоящего времени лампы накаливания являлись одним из самых распространенных источников света, и только в последнее десятилетие их начали вытеснять светодиодные лампы и то далеко не всюду. Это объясняется достоинствами, которыми обладают лампы накаливания.
К ним относятся:
- удобство эксплуатации, состоящее в практическом отсутствии периода разгорания и в возможности включения в сеть без дополнительных устройств,
- сплошной спектр, обеспечивающий приемлемую цветопередачу для большинства зрительных работ, а также не встречающее затруднений изготовление ламп в широком диапазоне мощностей от долей ватт до 100 кВт.
Наряду с отмеченными достоинствами лампы накаливания обладают и существенными недостатками:
- Низкая световая отдача. У осветительных ламп накаливания общего назначения она составляет от 7 до 20 Лм на Вт. Таким образом, световой к. п. д. у этих ламп колеблется примерно от 1 до 3%, указанные лампы являются крайне неэкономичными источниками света.
- Спектральный состав излучения ламп накаливания сильно отличается от спектрального состава солнечного света. Относительное содержание коротковолновых видимых излучений значительно меньше, чем в спектре солнечного света, что искажает цветопередачу и делает невозможным выполнение ряда работ при искусственном освещении лампами накаливания. К таким работам относится окраска тканей, браковка тканей, цветная печать в полиграфической промышленности и другие работы, связанные с точным воспроизведением цветов.
- Электрические и световые характеристики лампы, а также ее срок службы очень сильно зависят от величины питающего напряжения.
Смотрите также:
Недостатки ламп накаливания, как источника света
Почему лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения