Почему лампочка горит

Изобретение лампы накаливания

Лампа накаливания, так же как радио, телефон и радио у лампы накаливания несколько изобретателей:

• В 1809 году англичанин Деларю сконструировал первую лампу накаливания (с платиновой спиралью).
• В 1838 году бельгиец Жобар изобрёл угольную лампу накаливания.
• В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую "современную" лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде.
• В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, но с получением вакуума в те годы было сложно и лампа Суона работала недолго и неэффективно. Он не остановился на достигнутом и в 1878 году получил патент на лампу с угольным волокном. В ней волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
• 11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин (на фото) получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.
• В 1875 году В.Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, откачав из неё воздух и применил в лампе несколько волосков, чтобы в случае перегорания одного из них, следующий включался автоматически.

Во второй половине 1870-х годов Томас Эдисон взялся за усовершенствование лампы накаливания и провёл серию опытов, используя в качестве нити различные металлы. по результатам опытов в 1879 году он запатентовал лампу с платиновой нитью, а в 1880 году он вернулся к работе с угольным волокном и создал лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно с этим Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на недолговечность, лампы Эдисона постепенно начали вытеснять газовое освещение.

Лодыгин также не оставлял работы над усовершенствованием лампочек и в 1890-х годах он предложил применять в лампах нити из вольфрама и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали.

Предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина.

Конструкция лампочки

Независимо от назначения ламп накаливания, конструктивно они мало отличаются друг от друга: тело накала, колба и токовводы.

В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции.

Бывают лампы бесцокольные или с цоколями различных типов, также лампочки могут иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

• Колба. Защищает тело (спираль) накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.
• Газовая среда. Первые лампы были вакуумированными. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Смеси азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe.
• Тело накала. Может быть разной формы, наиболее распространённое - спираль из проволоки круглого поперечного сечения, но применяются и ленточные тела накала (из металлических ленточек). Поэтому правильнее будет использовать термин "тело накала", вместо "нить накала".
• Цоколь. Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14, E27 и E40 - цифра обозначает наружный диаметр в милиметрах. Также встречаются цоколи без резьбы. Лампа держится в таком патроне за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома: I=U/R и мощность по формуле P=U·I, или P=U²/R.

Принцип работы лампы накаливания

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания - спирали) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала 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. При температуре 5770 K (кельвинов), что равно температуре поверхности Солнца, свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, а часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, тогда как основная доля приходится на инфракрасное излучение.

Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) лампы и получения максимально "белого" света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410°C) и, очень редко, осмий (3045°C).

Для оценки качества света используется цветовая температура. При типичных для ламп накаливания температурах 2200—3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время "тёплый" (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина, важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.

Если бы вольфрамовые тела накала использовались на открытом воздухе, то при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. Именно поэтому тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух.

Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Сегодня лампы накаливания уступают место лампам энергосберегающим, люминесцентным и другим. Они отличаются устройством и техническими характеристиками, так что к этой теме мы обязательно вернёмся.