Части лампы накаливания. Белые пятна лампы накаливания
Несмотря на активное наступление энергосберегающих лампочек, лампы накаливания так и остаются на сегодняшний день самым распространенным источником света. Принципиальная конструкция электрической лампы накаливания не меняется уже более 100 лет и состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей тонкую спираль нити накала от воздействия окружающей среды. Принцип работы ламп накаливания основан на оптическом излучении, получаемом от разогретого до высокой температуры проводника, находящегося в инертной среде.
История
Первый электрический источник света – электрическая дуга была зажжена в 1802 г русским ученым В.В. Петровым. В качестве источника тока он использовал огромную аккумуляторную батарею из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров использовал пару угольных стержней, подключенных к разным полюсам гальванической батареи. При сближении концов стержней на близкое расстояние, происходил пробой воздушного промежутка электрическим разрядом, концы стержней при этом раскалялись добела, и между ними появилась огненная дуга. Использовать такую лампу было тяжело - угольные стержни сгорали быстро и неравномерно, а дуга выдавала слишком жаркий и яркий свет.
Александр Николаевич Лодыгин в 1872 году подал заявку, а затем получил патент (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал сначала в России, а затем также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В 1875 г лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге, который удостоился чести стать первым в мире магазином с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. Лампочки Лодыгина служили около двух месяцев, пока не сгорали угольки (в новой лампе Лодыгина таких угольков было четыре -когда один уголек перегорал, на его место заступал другой).
Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» - «русский свет».
Тем не менее изобретателем современной электрической лампочики называют Томаса Эдисона. 1 января 1880 г. в Менло-Парке (США) была проведена демонстрация электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном, на которой присутствовали три тысячи человек. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования: он добился значительно удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая.
Эдисоном был сконструирова всем известный резьбовой цоколь современных ламп, который назван в его честь. В наши дни от полного названия сохранилась только первая буква "E" в его обозначении. Кроме того, Эдисон предложил и систему производства и распределения электроэнергии для освещения.
Совершенствование лампы накаливания идет и по сей день. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - сначала из осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Для снижения испарения и повышения прочности начиная с 1910-х годов, металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали. Для того, чтобы испарения металла не оседали на стекле колбы ее стали наполнять азотом или инертными газами.
Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Развитие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накаливания.
-
Примечание. Почему светится раскаленный металл? Согласно квантовой теории, если электрону любым способом сообщить достаточную энергию, то он перейдет на более высокий энергетический уровень, a через 10 –13 с вернется в исходное основное состояние, испустив при этом фотон. Этим фактом обусловлено не только свечение раскаленного металла, но и «холодная» флюоресценция светляков, в которых электроны возбуждаются за счет энергии расщепления АТФ, а также свечение люминофоров, побывавших на солнце, испускающих зеленый свет в темноте.
Техническая информация
Световая отдача ламп накаливания относительно невысока. Она является самой низкой среди современных электрических ламп и лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Высокая яркость нити накала в сочетании с ее миниатюрными размерами позволяет использовать лампы накаливания в оптических системах и прожекторах. Лампы накаливания обладают широким диапазоном номинальных напряжений и мощностей. Этот вид ламп может работать в широком диапазоне температур окружающей среды, который ограничен лишь термостойкостью материалов, используемых при ее изготовлении (-100...+300°С). Световой поток ламп накаливания регулируется изменением рабочего напряжения, что может быть достигнуто светорегулятором (диммером) любой конструкции.
При этом недостатком является высокая рабочая температура и количество выделяемого при работе тепла. Лампы накаливания чувствительны к попаданию воды, поскольку из-за резкого охлаждения части стеклянной колбы произойдет ее разрушение, и потенциально пожароопасны из-за высокой рабочей температуры.
На сегодняшний день в мире отмечается устойчивая тенденция к снижению доли ламп накаливания в общем объеме осветительных приборов. В профессиональном секторе рынка светотехники развитых стран эта доля уже сегодня не превышает 10%, вытесняясь более экономичными галогенными и светодиодными осветительными устройствами.
История возникновения. Устройство. Выбор качественной лампы.
История ламп . В настоящее время сложно встретить человека, который не был бы знаком с лампами накаливания. Прогресс в области приборов освещения предложил альтернативные источники света – люминесцентные и диодные лампы, однако по некоторым параметрам им пока не удается превзойти обыкновенную «лампочку Ильича».
История лампы накаливания очень запутана и ее появлению предшествовали изобретения многих ученых-изобретателей.
По общепринятой версии, она началась в далеком 1872 году, когда русский ученый А. Н. Лодыгин догадался пропустить электрический ток через угольный стержень.
Сам стержень находился в безвоздушном пространстве стеклянной прозрачной колбы. Увеличение силы тока вызывало более интенсивную светоотдачу, пока не была достигнута температура плавления и лампа погасла. Так опытным путем были установлены оптимальные режимы работы для первых ламп накаливания и уже через год – в 1873 г. в Санкт-Петербурге были впервые опробованы несколько фонарей с такими лампами.
В это же самое время параллельно с Лодыгиным разработкой лампы накаливания занимался американский изобретатель Томас Эдисон. Он в 1879 году первым запатентовал лампу накаливания с угольной нитью, что впоследствии и послужило причиной, что именно его многие считают настоящим «отцом лампы накаливания».
На самом деле, как это часто бывает в области технических изобретений, лампа была изобретена в разных странах почти одновременно, поэтому нельзя с уверенностью утверждать, кому принадлежит авторство.
Работая над усовершенствованием лампы с угольной нитью, Лодыгин в 1890 году предложил заменить нить накаливания металлической, изготавливаемой из тугоплавкого металла – вольфрама. В отличие от других проводящих электрический ток материалов, вольфрам обладает очень высокой температурой плавления – около 3410°C.
В это же время Эдисон предлагает использовать в конструкции ламп изобретенную им резьбовую систему патрон-цоколь. Эта конструкция дошла до нашего времени практически, не претерпев никаких существенных изменений. Цоколь ламп накаливания обозначается «Е-XX», где «Е» - цоколь Эдисона (Edison Screw), а «XX» - внешний диаметр в мм. В Европе и на территории постсоветского пространства широкое распространение получили Е27 и Е14.
На американском континенте применяются другие размеры цоколя, чтобы избежать совместимости с европейскими аналогами, так как напряжение в электросетях различается (120 В. против 220 В., соответственно). В 1910 г. американский физик Ленгмюр предложил заменить вольфрамовую нить скрученной в тонкую спираль, что позволило уменьшить габариты стеклянной колбы, улучшить режим работы лампы и увеличить светоотдачу.
Устройство . Современная лампа накаливания, несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле воплощает в себе множество изобретений и открытий. Для изготовления спирали накаливания в настоящее время кроме дорогостоящего вольфрама используют осмий или их соединение. Колба перестала быть просто вакуумной – очень часто ее стали заполнять инертным газом (аргон, криптон, ксенон и).
Подобное решение позволило устранить давление атмосферы на вакуумированную колбу, а также увеличить суммарную продолжительность работы лампы. Дело в том, что электрический ток, проходящий по вольфрамовой спирали, вызывает ее нагрев и свечение. При нагреве до столь высоких температур (до 2900°С) в безвоздушной колбе вольфрам начинает интенсивно испаряться и оседать на стекле. Стекло постепенно теряет прозрачность, и интенсивность светоотдачи уменьшается, а продолжительность работы нити падает.
Все мы знаем, как неприятно смотреть на яркий свет прозрачной лампы накаливания, поэтому промышленностью выпускаются не только прозрачные колбы, но и матовые. Благодаря этому, свет получается немного рассеянным и более мягким, хотя при этом незначительно теряет в интенсивности.
Выбор качественной лампы накаливания – не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. У многих в домах до сих пор горят лампочки с пятилетним и более стажем работы, а бывает, что совсем недавно купленная лампа перегорает. Устройство обыкновенной лампы накаливания показано на рисунке:
где: 1 - стеклянная колба; 2 - наполненная инертным газом полость колбы; 3 - спираль накаливания; 4, 5 - электроды; 6 - дополнительные опоры спирали; 7 - стеклянная ножка; 8 - внешний токопровод; 9 - цоколь; 10 - изолятор цоколя; 11 - нижний контакт цоколя.
Выбор лампы накаливания . При покупке лампы следует проверить стекло колбы на наличие посторонних вкраплений, так как только в этом случае обеспечивается его достаточная прочность. При должной практике качество используемого стекла можно проверить легким постукивание по нему фалангой пальца – звук должен быть немного приглушенным, «прочным». На металлическом цоколе не должно быть повреждений – отверстий или вмятин.
Наличие небольшого отверстия на цоколе еще не означает полной неработоспособности лампы, но заставляет задуматься о правильности процессов производства или транспортировки. Нижний контакт цоколя может быть широким – с диаметром около 7 мм, а может – узким 5 мм. Широкий контакт более предпочтителен, так как обеспечивает качественный контакт в патроне даже при небольшом смещении внутренней контактной пластины (язычка).
Однако, большинство современных ламп поставляется именно с узкими нижними контактами, поэтому может сложиться ситуация, когда выбирать не из чего. Колба должна быть надежно закреплена с патроном и не отставать в местах приклеивания. Внешний токопровод (8) может соединяться с цоколем либо обычной пайкой, либо точечной сваркой.
Пайка должна быть небольшой и аккуратной, а при сварке – крепко держаться. Спираль накаливания (3) не должна слишком провисать. Если такое происходит, значит, лампа уже эксплуатировалась и спираль немного растянулась. Очень важным моментом является осмотр качества обжима спирали в местах соединения с ней электродов (4, 5).
При недостаточном обжиме срок службы лампы существенно снижается. У качественных ламп ножка (7) сбоку не имеет отверстий. Указанное рабочее напряжение должны быть выше, чем фактическое. То есть, несмотря на стандарт 220 В., выгоднее выбирать лампы с на 230-240 В. Особо следует отметить, что завышенное свыше 240 В. напряжение резко сокращает срок службы лампы.
Две лампочки от новогодней гирлянды включены последовательно
Сегодня, когда народ готовится встречать Новый год, на блоге СамЭлектрик.ру мы уже думаем о Лете. Точнее, о летнем , первая статья которого публикуется сегодня!
Статью можно считать научно-теоретической, а скорее инженерно-практической.
Не вызывает сомнения, что статья может оказаться интересной для инженеров и техников, деятельность которых связана с эксплуатацией такого простого и знакомого всем нам прибора как лампочка накаливания. А также – для всех, кто интересуется физикой.
Напоминаю, что по у меня на блоге уже была попытка исследовать данный вопрос – в моей статье “ “
Не смотря на обыденнность лампочки, не смотря на ее “повседневность”, особенности ее эксплуатации имеют то, что принято называть “белыми пятнами”.
В настоящий момент электрические параметры лампы накаливания невозможно рассчитать, если режим эксплуатации отличается от паспортного (от того режима на который лампочка спроектирована). Автор предлагает физическую модель, в рамках которой удается получить ряд формул, пригодных для решения широкого круга практических инженерных задач.
Выражаю признательность владельцу ресурса за любезно предоставленную возможность опубликования этого мемуара.
Матросов С.
Лампа накаливания
Настоящую статью предлагается понимать как расширенное толкование (или пояснение) статьи «Закон Кеплера для лампочки накаливания» – https://www.proza.ru/2016/09/19/1858
В указанной статье приведена формула, позволяющая обсчитывать параметры лампы накаливания в произвольных режимах, в том числе и в режимах, отличающихся от паспортных.
Формула зависимости напряжения и мощности лампочки
Это основная формула статьи, вывод которой будет приведён ниже. Формула выглядит так:
Для любой лампы накаливания существует параметр, стабильный в широком диапазоне электрических режимов. Этим параметром является отношение куба напряжения к квадрату мощности.
Методика использования формулы проста.
Берем лампочку, читаем на колбе или на цоколе параметры, на которые она расчитана – напряжение и мощность, рассчитываем константу, потом вставляем в формулу любое произвольное напряжение и вычисляем мощность, которая выделится на лампочке.
Зная мощность, несложно вычислить ток.
Зная ток, несложно вычислить сопротивление нити накаливания.
Вот и рассмотрим вопросы, связанные с правильной эксплуатацией формулы, а так же с теми ограничениями, котрые неизбежны ввиду того что «абсолютных» формул просто не бывает.
Однако, сначала немножко «теории»…
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?
Подписывайся, и читай статью дальше:
Базовые «теоретические» предпосылки
Формула была получена в предположении того, что в металле (из которого состоит нить накаливания) ток и сопротивление имеют единую физическую сущность.
В упрощенном виде это можно рассуждать примерно так.
Сообразно современным воззрениям, ток представляет собой упорядоченное движение носителей заряда. Для металла это будут электроны.
Было сделано предположение, что электрическое сопротивление металла определяется ХАОТИЧЕСКИМ движением тех же самых электронов.
С возрастанием температуры нити, хаотическое движение электронов возрастает, что, в конечном итоге, и приводит к возрастанию электрического сопротивления.
Еще раз. Ток и сопротивление в нити накаливания – суть одно и тоже. С той лишь разницей, что ток – это упорядоченное движение под действием электрического поля, а сопротивление – это хаотическое движение электронов.
Немножко «алгебраической схоластики»
Теперь, когда с “теорией” покончено (улыбнулся), приведу алгебраические выкладки для вывода «главной» формулы.
Каноническая запись закона Ома выглядит:
I * R = U
Для приведения в соответствие количественных значений, необходимо ввести соответствующие коэффициенты пропорциональности, для токовой компоненты – Кт и для резистивной компоненты – Кр:
Самые общие соображения подвигают к мысли, что эти коэффициенты должны быть взаимно обратными величинами, а значит:
В этом случае, попарно перемножая правые и левые части (в системе уравнений), мы возвращаемся к исходной записи закона Ома:
I * R = U
Окончательный вывод формулы
Рассмотрим подробнее систему уравнений:
Возведем в квадрат первое уравнение и попарно перемножим их.
В левой части мы видим выражение для мощности, а так же памятуя о том, что произведение коэффициентов равно единице, окончательно перепишем:
Отсюда получим выражение для токового коэффициента:
И для резистивного коэффициента (они взаимообратны):
где Рном и Uном – это номинальные мощность и напряжение, маркированные на цоколе или на колбе лампы.
Осталось подставить эти значения коэффициентов в “РАСЩЕПЛЕННУЮ” формулу Закона Ома, и мы получим окончательные выражения для тока и сопротивления.
Домножая последнее соотношение на Ux, получим:
Чтобы не забивать себе голову этими квадратами, кубами и корнями, достаточно запомнить простую зависимость, которая вытекает из последнего соотношения. Возводя последнее соотношение в квадрат, мы получаем ясную и понятную формулу:
Для любой лампочки с вольфрамовой нитью накала отношение куба напряжения к квадрату мощности является величиной ПОСТОЯННОЙ.
Полученные соотношения показали прекрасное соответствие практическим результатам (измерениям) в широком диапазоне изменения параметров напряжения и для весьма различных типов ламп накаливания, начиная от комнатных, автомобильных и заканчивая лампочками для карманных фонариков…
Некоторые общие рассуждения по сопротивлению лампочек накаливания
Безусловно, для малых значений напряжения (когда приложенное напряжение ЗНАЧИТЕЛЬНО отличается от паспортного), наши формулы будут “подвирать”.
Например, при расчете сопротивления комнатной лампочки накаливания 95W , 230V, подключенной к источнику напряжения 1 вольт, формула
дает значение сопротивления нити 36,7171 ом.
Если предположить, что мы подали на лампу напряжение 0,1 вольта, то расчетное сопротивление нити составит 11,611 ом…
Интуиция подсказывает, что дело обстоит не совсем не так, а скорее совсем не так…
В области малых напряжений формула будет стабильно “низить” значение расчетного сопротивления по сравнению с фактическим, и дело тут вот в чем…
В рассматриваемой концепции неявно предполагается, что хаотическое движение электронов “ЗАМРЕТ” при отсутствии внешнего приложенного напряжения. Однако, очевидно, что движение электронов не “замирает” даже в отсутствие приложенного внешнего напряжения (если лампа просто лежит на столе и никуда не включена).
Хаотическое движение электронов имеет ТЕПЛОВУЮ природу и обусловлено ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ нити накаливания.
Этот момент формулой не учитывается и прямое измерение сопротивления нити прибором неизбежно покажет отличие измеренного значения сопротивления против расчетного.
Излучение и КПД лампочки накаливания
Прежде чем разобраться с вопросом применимости формулы для обсчета режимов “малого напряжения”, следует акцентировать внимание на один момент.
Лампочка представляет собой почти идеальный преобразователь электрической мощности в лучистую энергию.
То обстоятельство, что разработчики лампочек упорно бьются за повышение КПД лампочки, никоим образом не влияет на данное утверждение. Лампа накаливания – идеальный преобразователь электрической мощности в излучение.
Дело в том, что разработчики стремятся повысить выход СВЕТОВОЙ энергии, и именно в этом смысле вычисляют КПД. Разработчик стремится повысить коэффициент преобразования электрической мощности именно в СВЕТОВОЕ излучение, в излучение, находящееся в видимом диапазоне.
Этот КПД у лампочки действительно МАЛ. Однако лампочка прекрасно излучает ВО ВСЕМ спектре и очень много в инфракрасном диапазоне, там, где наш глаз не видит.
Для расчета сугубо электрических параметров нам совершенно не важно, В КАКОМ диапазоне излучает лампочка. Нам важно лишь помнить, что лампочка ИЗЛУЧАЕТ ВСЕГДА, если только на нее подано хоть какое-то (пусть даже самое малое) напряжение. И важно помнить, что подводимая мощность рассеивается именно в форме излучения.
Сколько электрической мощности подано на лампу, именно ТАКАЯ мощность и рассеется в форме излучения .
Закон сохранения энергии никто не отменял и второй закон термодинамики тоже никто не отменял. А значит, сколько прибыло – столько и убыть должно. И убудет именно в форме излучения, ибо больше энергии деваться просто НЕКУДА – только в излучение. Это очень важное обстоятельство.
Конструктивно нить накаливания представляет собой тонюсенькую вольфрамовую проволочку диаметром порядка 50 микрон и длиной порядка полуметра, свернутую в в спиральку замысловатой конфигурации.
Вакуум в колбе исключает возможность конвекционного теплообмена – ТОЛЬКО ЧЕРЕЗ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Конечно, какая то доля тепла уходит через усики лампы, на которой крепится спиралька, но это мизер.
Чтобы наглядно представить себе эту малость, можно провести аналогию.
Повторю, сама вольфрамовая ниточка – аккурат размером с волосок из косички первоклассницы 50 см в длину и 50 микрон в диаметре.
Если наглядно увеличить этот волосок.… это как если мы имеем проводочек диаметром 1 мм и длиной 10 метров! Здравый смысл подсказывает, что охлаждаться этот проводок вовсе НЕ путем теплообмена на краях. Да, что-то уйдет и в местах контакта, но основная мощность рассеется по всей длине проводка.
Для случая спирали, расположенной в вакууме, вся мощность уйдет В ИЗЛУЧЕНИЕ и не важно в каком диапазоне спектра…
Важный эксперимент с измерением сопротивления Омметром
Любой, даже самый маленький ток БУДЕТ оказывать тепловое воздействие на проводок, НАГРЕВАЯ его…
Измеряя тестером сопротивление лампочки мы… пропускаем через нее ТОК. Ток от тестера маленький, но он ЕСТЬ. Следовательно, измеряя сопротивление нити, мы НАГРЕВАЕМ нить и, как следствие этого, меняем значение параметра самим фактом измерения.
Грубо говоря, тестер ТОЖЕ ВРЕТ. Тестер показывает НЕ ИСТИННОЕ значение сопротивления спирали.
Для того чтобы убедиться в этом обстоятельстве, можно проделать несложный эксперимент. Это доступно любому.
Можно ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ тестером отобрать две лампочки с одинаковыми (близкими) значениями “холодного” сопротивления нити, и измерить сопротивление ДВУХ лампочек сначала каждую порознь, а потом соединенных последовательно.
Неоднократные измерения показывают, что сумма сопротивлений, измеренных порознь, НЕ СОВПАДАЕТ с суммарным сопротивлением последовательного включения…
Мы измеряем сопротивления лампочек порознь.
Затем мы измеряем сопротивление последовательного включения.
И мы УСТОЙЧИВО наблюдаем, что сумма сопротивлений измеренных “по одиночке” оказывается БОЛЬШЕ чем суммарное сопротивление лампочек, включенных последовательно.
Прибор один и тот же, диапазон измерения не переключался, так что методические погрешности измерения исключаются.
И все становится ПОНЯТНО.
Последовательное сопротивление двух спиралей УМЕНЬШАЕТ ток от тестера, и нити нагреваются меньше.
А когда мы меряем лампочки порознь, то ток измерения больше и соответственно увеличиваются показания прибора за счет пусть даже небольшого, но УВЕЛИЧЕНИЯ температуры нитей вследствие нагрева в процессе измерения…
Раньше (четверть века назад, когда еще цифровые тестеры были экзотикой) было невозможно стрелочным индикатором уловить эту разницу. Сейчас в любом доме имеется китайский цифровой тестер и любой человек, может проделать этот несложный эксперимент.
Разница в сопротивлениях невелика, но разница ОЧЕВИДНА, что исключает даже намек на возможную некорректность опыта.
Я подключил лампочки, подключил тестер и сфотографировал результаты таких экспериментов. На фотографиях прекрасно видно, что тестер показывает пониженное сопротивление лампочек, включенных последовательно.
На фотографиях для бытовых лампочек 60 Ватт 220 Вольт сумма сопротивлений, измеренных порознь: 72,0 + 65,2 = 137,2 ом.
Однако, измеряя сопротивление последовательно, прибор “низит” показание до 136,8 ом!
Аналогичная картина наблюдается для гирляндных лампочек:
Вывод. Расчетная формула показывает ЗАНИЖЕННОЕ значение сопротивления “холодной” спирали.
Измерение тестером показывает ЗАВЫШЕННОЕ сопротивление “холодной” спирали.
Возникает естественная мысль – Как страшно жить!!! Кому верить?
Попробуем разобраться в этом вопросе…
Мощность излучения по отношению к окружающему фону
Оценим мощность излучения лампы, соответствующую температуре окружающего фона.
Известно, что постоянная Стефана-Больцмана σ = 5,670373·10 -8 , тогда мощность излучения с квадратного метра
Р = σ SТ 4
В качестве произвольного оценочного значения примем диаметр спирали 40 микрон, а длину 50 см. Температура нормальных условий 293К (20С). Подставив эти данные в формулу Стефана-Больцмана, получим мощность излучения при температуре 0,026258 Ватт.
Для интереса вычислим мощность при некоторых различных температурах окружающей среды:
Минус 40 (233К) 0,0105 Ватт
Минус 20 (253К) 0,0146 Ватт
Нуль (273К) 0,0198 Ватт
Плюс 20 (293К) 0,026258 Ватт (норм.условия)
Плюс 40 (313К) 0,0342 Ватт
Для курьеза можно привести расчет излучения лампы, когда температура окружающей среды равна 2300К:
Р = 99,7 Ватт.
Что вобщем неплохо согласуется с реальным положением вещей – лампа, расчитанная на 100 ватт нагревается до температуры 2300К.
Можно с высокой долей уверенности заявить, что данная геометрия спирали соответствует «стоваттной» лампочке, рассчитанной на 220 вольт.
А теперь пересчитаем эти величины мощностей к «приведенному» напряжению. Как если бы температура окружающей среды соответствовала Абсолютному Нулю, а к лампе было приложено некоторое напряжение, нагревающее спираль.
Для пересчета используем полученное соотношение что напряжения и мощности соответствуют степеням «три» и «два».
| темпер, К | напряжение, В |
| 233 | 0,489665457 |
| 253 | 0,609918399 |
| 273 | 0,747109176 |
| 293 | 0,902119352 |
| 313 | 1,075809178 |
Из таблицы видно, что “токовая” мощность лампочки при напряжении на ней 0,902…Вольт нагревает спираль до температуры 293К. Аналогично, “токовая” мощность при напряжении 1,0758 Вольт нагреет спираль до температуры 313К (на 20 градусов выше).
Повторю еще раз, это при условии, что температура окружающей среды равна Абсолютному Нулю.
Вывод . Весьма малое изменение напряжения оказывает значительное влияние на температуру нити. Изменили напряжение на каких то семнадцать сотых Вольта (1,0758 – 0,902 = 0,1738) а температура возросла на 20 градусов.
Эти расчеты весьма условны, но в качестве ОЦЕНОЧНЫХ величин их можно использовать.
Оценка естественно очень грубая, ибо закон Стефана-Больцмана описывает излучение «идеального» излучателя – абсолютно черного тела (АЧТ), а спираль весьма отличается от АЧТ, но, тем не менее, получили «цифирь» весьма правдоподобную…
Из экселовской таблички видно, что уже при напряжении на лампе 1 вольт, температура спирали будет 40 градусов по Цельсию. Приложим больше, будет больше.
Напрашивается естественный вывод, что при напржении 10-15 вольт нить будет достаточно горячая, хотя визуально это не будет видно.
На глаз нить будет казаться «ЧЕРНОЙ» (холодной) вплоть до температур 600 градусов (начало излучения в видимом диапазоне).
Желающие «погонять цифирь» могут это сделать самостоятельно, используя формулу Стефана- Больцмана.
Результаты будут условными, ввиду того что (как было сказано выше) спираль имеет некоторое альбедо и не соответствует излучателю АЧТ, НО(!) оценка температур будет вполне достоверной…
Повторю – именно ОЦЕНКА. Нить начинает светиться примерно с 20 вольт.
Дополнительно хотел бы обратить внимание на разброс параметров лампочек.
На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно. Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю».
Выражения для токов приравниваются. Небольшие алгебраические преобразования. И получается окончательное квадратное уровнение относительно неизвестного Us.
Из рисунка понятно, что Us это напряжение на лампе.
От Администратора блога.
Эта статья участвует в Конкурсе статей лета 2018 г. Подведение итогов (ориентировочно) – в июне 2018. Подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу ВК, там новостей всегда больше, чем на блоге!
Несмотря на развитие энергосберегающей техники, лампы накаливания до сих пор держат лидерство на рынке осветительных приборов.
Как выглядит лампа накаливания
Принцип действия
Действие лампы заключается в существенном нагревании электрическим током нити накала. Чтобы твердое тело начало светиться красным излучением, его температуру надо увеличить до 570 0 С. Оно становится комфортным для глаз при 4-5 кратном увеличении температуры.
Из всех металлов самым тугоплавким является вольфрам (3400 0 С), поэтому в качестве нити накала применяют проволоку из него. Для увеличения площади излучения ее свертывают в спираль, которая в лампе накаливания нагревается до 2000-2800 0 С. При этом цветовая температура составляет 2000-3000К, создавая желтоватый спектр. Он более энергозатратный и тусклый, чем дневной, но комфортный для глаз.
Еще в школьном учебнике приводится эксперимент с увеличением свечения лампы в зависимости от силы электрического тока. По мере его роста происходит выброс излучения и тепла.
В воздушной среде вольфрамовая нить быстро окисляется и разрушается под действием высокой температуры. Раньше в стеклянной колбе создавали вакуум, а сейчас чаще всего применяют инертный газ: азот, аргон, криптон. При этом сила свечения увеличивается. Кроме того, давление газа препятствует испарению вольфрама от температуры свечения.
Строение
Несмотря на видимую простоту изготовления, лампа состоит из 11 элементов. При этом в конструкции применяются 7 различных металлов. Важнейшим элементом является нить накала. Она может быть разных видов: круглой, иметь форму одной или нескольких лент. В связи с разнообразием элементов, где световая энергия получается из электрической, их принято называть телами накала. Колбы в большинстве случаев бывают круглыми или грушевидными, но могут быть других форм.
Виды ламп накаливания
На рисунке ниже изображена конструкция лампы. Внутри располагаются электроды (6), спираль (2) (вольфрам) и крючки (3) (молибден). Цоколи (9) из оцинкованной стали изготавливают в основном резьбовыми еще со времен Эдисона. Диаметры их могут различаться: Е 14 , Е 27 , Е 40 – по величине наружного диаметра. Цоколь также соединяют с патроном посредством штырьков или штифтов. Его тип определяется по маркировке, выбитой на наружной поверхности.
Устройство лампы накаливания
Параметры
- электрические;
- технические (интенсивность и спектральный состав светового потока);
- эксплуатационные (условия применения, размеры, отдача света, срок эксплуатации).
Мощность
Основные характеристики наносятся в виде маркировки. В их число входит мощность, по которой выбирают лампу (60 Вт – наиболее востребованы). Здесь более важна световая характеристика. В таблице приведены характеристики бытовых ламп, из которых следует, что световая энергия от одной лампы интенсивней, чем от нескольких, с той же суммарной мощностью. При этом она обходится дешевле.
Характеристики ламп
| Мощность, Вт | 5 | 15 | 25 | 40 | 60 | 75 | 100 |
| Отдача света, Лм/Вт | 4 | 8 | 8.8 | 10.4 | 11.8 | 12.5 | 13.8 |
Световая энергия расходуется больше на лампах меньшей мощности. Поэтому сэкономить электроэнергию таким образом не получится.
Технические характеристики
Световая энергия от мощности лампы накаливания зависит нелинейно. Отдача света растет с ее повышением, а после 75 Вт начинает снижаться.
Преимуществом ламп накаливания является равномерность освещения. Сила света у них практически одна и та же во все стороны.
Пульсирование света негативно сказывается на утомляемости глаз. Нормальным считается коэффициент пульсации не более 10 % во время занятий мелкой работой. У ламп накаливания он не превышает 4 %, и худший показатель наблюдается у лампы на 40 Вт.
Лампы накаливания нагреваются больше всех остальных. По расходу мощности она больше является обогревателем помещения, а не прибором освещения. Отдача света происходит всего на 5-15 %. С целью экономии электроэнергии использование ламп накаливания на 100 Вт и более запрещено. Лампа на 60 Вт греется не очень сильно, а освещения бывает достаточно на одну комнату.
Если оценивать спектр излучения, то по сравнению с дневным светом в лампах накаливания недостаточно синего света и избыток красного. Но он считается приемлемым, поскольку меньше утомляет глаза по сравнению с лампами дневного света.
Эксплуатационные параметры
Для ламп важны условия, где они применяются. Их можно эксплуатировать в температурном интервале от -60 0 С до +50 0 С, влажности не более 98 % при 20 0 С и давлении не менее 0,75∙10 5 Па. Для них не нужны дополнительные устройства за исключением , которым плавно регулируется отдача света. Лампы дешевы и не требуют никакой квалификации при замене.
К недостаткам относятся: самая низкая надежность, сильный нагрев и низкий КПД.
Виды ламп накаливания
Хотя энергосберегающие источники света обладают лучшими показателями, лампы накаливания остаются на первом месте. Особенно это относится к применению в быту.
Лампы общего назначения (ЛОН)
ЛОН широко применяются, несмотря на то, что только 5 % энергии остается на освещение, а остальная – выделяется в виде тепла. ЛОН предназначены для бытовых нужд, предприятий, административных зданий и внешних светильников. Они подразделяются на стабильное напряжение 220 В и повышенное – до 250 В. Продолжительность горения у ламп небольшая и составляет около 1000 часов.
Первой буквой маркировки обозначается основная особенность, например, В – вакуумная, Б – биспиральная, Г – моноспиральная.
- Г 235-245-60-П (моноспиральная, диапазон напряжения 235-245 В, мощность 60 Вт, для подсобных помещений);
- В 230-240-60 (вакуумная, на 230-240 В, 60 Вт).
Лампы имеют значительную мощность. Ограничение по верхнему пределу 100 Вт к ним не относится. Лампы служат для направленного освещения на дальние расстояния: для прожекторов общего назначения, кинопроекционные и маячные. Тело накала у них имеет компактное расположение, чтобы улучшить фокусировку. Она обеспечивается также специальной конструкцией цоколей или за счет наличия дополнительных линз.
Как выглядят прожекторные лампы
Зеркальные лампы
Особенностью является специальная конструкция колбы и наличие светоотражающего экрана из алюминия. Чтобы придать свету мягкость и уменьшить контрастность, светопроводящий участок сделан матовым. Светораспределение бывает концентрированным (ЗК), средним (ЗС) и широким (ЗШ). Состав стекла некоторых зеркальных ламп меняют, добавляя в него окись неодима. Это делает их ярче и сдвигает цветовую температуру в сторону белого света.
Как выглядит зеркальная лампа
Лампы применяются для освещения сцен, витрин, промышленных комплексов, медицинских кабинетов и многого другого.
Галогенные лампы
Особенностью лампы является наличие в колбе галогенных соединений. При взаимодействии с ними испарившиеся молекулы вольфрама осаждаются обратно на спираль, что позволяет создавать повышенную температуру ее нагрева и в 2 раза увеличивать срок службы ламп.
Галогенная лампа со штырьковым цоколем
Выбирая лампу, нужно знать ее особенности, обычно указанные на маркировке, а также цель применения.
Как включать лампы накаливания
Несмотря на то, что для ламп накаливания не требуются никакие пусковые устройства, есть правила их подключения, которые следует выполнять. Прежде всего, к цоколю подключается нулевой провод, а через выключатель проходит фазный. При выполнении этих правил случайное прикосновение к цоколю не вызовет удара током.
Чтобы подать напряжение на все лампы с помощью одного выключателя, их следует подключить параллельно.
Схемы подключения ламп
В схемах подключение светильников производится параллельно. Обычно в помещение делается общий с розетками ввод, но выключатель связан только с лампами. Источники могут переключаться одновременно (рис. в) или раздельно (рис. б). В люстрах лампы могут объединяться в группы от одного переключателя. На рис. г показана схема ее работы, где 3 положения переключателя обеспечивают все схемы возможных состояний двух ламп.
Для длинных коридоров применяют 2 проходных выключателя, через которые можно независимо работать с лампой из разных мест (рис. д). Особенно это удобно для переключений наружных светильников из дома. При нажатии на один из них одна или несколько ламп загораются или гаснут. Для такой схемы требуется большее количество проводов.
Способы совершенствования ламп
Лампы накаливания развиваются в тех же направлениях, что и остальные источники света: повышение КПД, снижение энергозатрат и безопасное применение. Для этого подбирается определенная газовая среда, применяются галогенные и квацево-галогенные лампы, улучшаются технические характеристики. Многих вполне устраивает мягкий и теплый свет лампы накаливания.
Применение углеродных нанотрубок в качестве тела накаливания позволило в 2 раза увеличить светоотдачу по сравнению с вольфрамом. Стабильные параметры ламп сохраняются в течение 3000 часов. Пониженное напряжение питания делает ее более безопасной.
Как увеличить срок службы
Причины быстрого перегорания ламп следующие:
- нестабильность источника питания;
- механические сотрясения;
- температура воздуха;
- нарушение соединений в проводке.
С течением времени нить накала испаряется, сопротивление лампы увеличивается, и она перегорает. Кроме того, сопротивление обычной холодной и горячей лампы на 60-100 Вт меняется в 10 раз. Сопротивление холодной спирали в лампе на 60 Вт составляет 61,5 Ом, а горячей – 815 Ом. Чем ярче свет и чаще включение, тем процесс происходит интенсивней. При этом опасность выхода из строя возрастает к концу периода службы. В связи с этим требуется подобрать подходящее напряжение для нормальной светоотдачи и достаточного срока эксплуатации.
Способы обеспечения долговечности ламп накаливания:
- При покупке выбрать подходящий диапазон напряжений.
- Переноски перемещаются в выключенном состоянии, поскольку малейшее сотрясение приводит к перегоранию работающей лампы.
- Если лампочка быстро выходит из строя в одном и том же патроне, его следует отремонтировать или заменить. Оцените статью:
Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство лампы накаливания. Но для начала хотелось бы сказать пару слов об истории этой лампы.
Самую первую лампочку накаливания придумал английский учёный Деларю ещё в 1840 году. Она была с платиновой спиралью. Немного позже, в 1854 году, немецкий учёный Генрих Гёбель представил лампу с бамбуковой нитью, которая находилась в вакуумной колбе. В то время ещё очень много было представленных различных ламп, различными учёными. Но все они имели очень короткий срок службы, и были не эффективными.
В 1890 году учёный Лодыгин А. Н. впервые представил лампу, у которой нить накаливания была из вольфрама, и имела вид спирали. Так же этот учёный делал попытки откачивания из колбы воздуха, и заполнение её газами. Что значительно увеличивало срок службы ламп.
А вот серийное производство ламп накаливания началось уже в 20 веке. Тогда это был реальный прорыв в технологии. Сейчас же, в наше время, многие предприятия, и просто обычные люди отказываются от этих ламп из-за того, что они много потребляют электроэнергии. А в некоторых странах даже запретили выпускать лампы накаливания, мощностью которых более 60 Ватт.
Устройство лампы накаливания.
Такая лампа состоит из следующих деталей: цоколь, колба, электроды, крючки для держания нити накаливания, нить накаливания, штенгель, изолирующий материал, контактная поверхность.
Для того, чтобы вам было более понятно, я сейчас напишу про каждую деталь отдельно. Так же смотрите рисунок и видео.
Колба – изготавливается из обычного стекла и нужна для защиты нити накаливания от внешней среды. В неё вставляется штенгель с электродами и крючками, которые держат саму нить. В колбе специально создаётся вакуум, или она заполняется специальным газом. Обычно это аргон, так как он не поддается нагреванию.
С той стороны, где находятся вывода электродов, колба заплавляется стеклом и приклеивается к цоколю.
Цоколь нужен для того, чтобы лампочку можно было вкрутить в патрон. Обычно он изготовляется из алюминия.
Нить накаливания – деталь, которая излучает свет. Изготавливается в основном из вольфрама.
А теперь для закрепления своих знаний, предлагаю вам посмотреть очень интересное видео, в котором рассказывается, и показывается, как делаются лампы накаливания.
Принцип действия.
Принцип действия лампы накаливание основывается на нагревании материала. Ведь не зря нить накаливания имеет такое название. Если пропустить через лампочку электрический ток, то вольфрамовая нить накаляется до очень высокой температуры и начинает излучать световой поток.
Не расплавляется нить, потому что вольфрам имеет очень высокую температуру плавления, где-то 3200—3400 градусов Цельсия. А при работе лампы нить накаляется где-то до 2600—3000 градусов Цельсия.
Преимущества и недостатки ламп накаливания.
Основные преимущества:
Не высокая цена.
Небольшие габариты.
Легко переносят перепады напряжения в сети.
При включении мгновенно зажигается.
Для человеческого глаза практически незаметно мерцание при работе от источника переменного тока.
Можно использовать устройство для регулировки яркости.
Можно использовать как при низких, так и при высоких температурах окружающей среды.
Такие лампы можно выпускать практически на любое напряжение.
В своём составе не содержит опасных веществ, и поэтому не нуждается в специальной утилизации.
Для зажигания лампы не нужно никаких устройств запуска.
Может работать на переменном и на постоянном напряжении.
Работает очень тихо и не создаёт радиопомех.
И это далеко не полный список преимуществ.
Недостатки:
Имеет очень маленький срок службы.
Очень маленький КПД. Обычно он не превышает 5 процентов.
Световой поток и срок службы напрямую зависит от напряжения сети.
Корпус лампы при работе очень сильно нагревается. Поэтому такая лампа считается пожароопасной.
При разрыве нити колба может взорваться.
Очень хрупкая, и чувствительная к ударам.
В условиях вибрации очень быстро выходит со строя.
И в заключение статьи хотелось бы написать об одном удивительном факте. В США в одной из пожарных частей города Ливермор, есть лампа мощностью 60 ватт, которая светиться беспрерывно уже более 100 лет. Её зажгли ещё в 1901 году, а в 1972 году её занесли в Книгу рекордов Гинесса.
Секрет её долговечности в том, что она работает в глубоком недокале. Кстати, работу этой лампы беспрерывно фиксирует вебкамера. Так что кому интересно можете поискать прямую трансляцию в интернете.
На этом у меня всё. Если статья была вам полезной, то поделитесь неё со своими друзьями в социальных сетях и подписывайтесь на обновления. Пока.
С уважением Александр!
