Из чего нить накаливания в лампочке. Температурные показатели ламп накаливания

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а - высоковольтной проекционной лампы; б - низковольтной проекционной лампы; в - обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а - в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б - в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 - кольцевая спираль; 2 - прямая биспираль; 3 - спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10 -10 и 9,95×10 -8 кг/(см²×с).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 - 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами - калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10 -7 К -1 . Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 - 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов

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».

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 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.

Лампа накаливания – электрический осветительный прибор, принцип действия обусловлен нагревом до высоких температур нити тугоплавкого металла. Тепловой эффект тока известен давно (1800 год). С течением времени вызывает сильный нагрев (выше 500 градусов Цельсия), заставляя нить светиться. В стране вещички носят имя Ильича, на деле продвинутые историки бессильны однозначно дать ответ, кого назвать изобретателем лампы накаливания.

Конструкция ламп накаливания

Изучим строение прибора:

История создания ламп накаливания

Спирали далеко не сразу стали изготавливать из вольфрама. Применялись графит, бумага, бамбук. Много людей шло параллельным путем, создавая лампы накаливания.

Бессильны привести список 22 имен ученых, называемых зарубежными писателями авторами изобретения. Неправильно приписывать заслуги Эдисону, Лодыгину. Сегодня лампы накаливания далеки от совершенства, стремительно теряют маркетинговую привлекательность. Превышение амплитуды питающего напряжения на 10% (половину пути — 5% — РФ проделала в 2003 году, подняв вольтаж) номинала сокращает срок службы вчетверо. Снижение параметра закономерно урезает отдачу светового потока: 40% теряется при эквивалентном относительном изменении характеристик питающей сети в меньшую сторону.

Пионерам гораздо хуже. Джозеф Сван (Joseph Swan) отчаялся добиться достаточной разреженности воздуха колбы лампы накала. Насосы (ртутные) того времени неспособны выполнить задачу. Нить сгорала посредством сохранившегося внутри кислорода.

Смысл ламп накала довести спирали до степени нагрева, тело начинает светиться. Сложностей добавляло отсутствие в середине XIX века высокоомных сплавов – квота преобразования силы электрического тока сформирована увеличенным сопротивлением проводящего материала.

Усилия ученых мужей ограничивались следующими направлениями:

1. Выбор материала нити. Критериями выступали одновременно высокое сопротивление, устойчивость к горению. Волокна бамбука, являющегося изолятором, покрывали тонким слоем проводящего графита. Малая площади проводящего слоя угля повышало сопротивление, давая нужный результат.
2. Однако древесная основа быстро воспламенялась. Вторым направлением считаем попытки создать полный вакуум. Кислород известен с конца XVIII века, ученые мужи быстро доказали: элемент участвует в горении. В 1781 году Генри Кавендиш определил состав воздуха, начиная разрабатывать лампами накала, слуги науки ведали: земная атмосфера разрушает нагретые тела.
3. Важно передать напряжение нити. Шла работа, преследующая цели создания разъемных, контактных частей цепи. Понятно, тонкий слой угля снабжен большим сопротивлением, как подвести электричество? Трудно поверить, пытаясь достичь приемлемых результатов, использовали ценные металлы: платина, серебро. Получая приемлемую проводимость. Недешевыми путями удавалось избежать нагрева внешней цепи, контактов, нить накалялась.
4. Отдельно отметим резьбу цоколя Эдисона, используемую поныне (Е27). Удачная идея, легшая в основу быстро заменяемых лампочек накала. Прочие способы создания контакта, наподобие пайки, мало годятся. Соединение способно распасться, разогретое действием тока.

Стеклодувы XIX века достигли профессиональных высот, колбы изготавливали запросто. Отто фон Герике, конструируя генератор статического электричества, рекомендовал сферическую колбу залить серой. Материал застынет — стекло разбить. Получался идеальный шар, при трении собирал заряд, отдавая стальному стержню, проходящему через центр конструкции.

Пионеры отрасли

Можете прочесть: идея подчинить электричество целям освещения впервые реализована сэром Гемфри Дэви. Вскоре после создания вольтова столба ученый вовсю экспериментировал с металлами. Выбрал благородную платину за высокую температуру плавления – прочие материалы воздухом быстро окислялись. Попросту сгорали. Источник света вышел неяркий, давая основу сотням последующих наработок, показав направление движения желающим получить конечный результат: осветить, заручившись помощью электричества.

Произошло в 1802 году, ученому исполнилось 24 года, позже (1806) Гемфри Дэви представил суду общественности вполне работоспособный разрядный осветительный прибор, в конструкции которого ведущую роль занимали два угольных стрежня. Следует отнести короткую жизнь столь блистательного светила небосвода науки, давшего миру представление о хлоре, йоде, ряде щелочных металлов, на постоянные эксперименты. Смертельные опыты по вдыханию угарного газа, работы с оксидом азота (мощным отравляющим веществом). Авторы отдали честь блистательным подвигам, сократившим жизнь ученого.

Гемфри забросил, вырезав целое десятилетие исследований осветительных приборов, вечно занятый. Сегодня Дэви называют отцом электролиза. Трагедия 1812 года Felling Colliery наложила глубокий отпечаток, помрачив сердца многих. Сэр Гемфри Дэви пополнил ряды занявшихся разработкой безопасного источника света, уберегающего шахтёров. Электричество подходило мало, не существовало мощных надежных источников энергии. Чтобы рудничный газ перестал взрываться временами, применялись разные меры, наподобие металлической сетки-диффузора, препятствующей распространению пламени.

Сэр Гемфри Дэви сильно опередил время. Лет примерно на 70. Конец XIX века лавинообразно выдал новые конструкции, призванные вырвать человечество из вечной тьмы, благодаря использованию электричества. Одним из первых Дэви отметил зависимость сопротивления материалов от температуры, позволяя позже Георгу Ому получить . Спустя полвека открытие было положено в основу создания Карлом Вильгельмом Сименсом первого электронного термометра.

6 октября 1835 года Джеймс Боумэн Линдсей продемонстрировал лампочку накала, окруженную стеклянной колбой для защиты от действия атмосферы. Как выразился изобретатель: можно было читать книгу, рассеивая темноту на расстоянии полутора футов от подобного источника. Джеймс Боумэн, считают общепризнанные источники, является автором идеи защиты нити накала стеклянной колбой. Правда?

Склонны утверждать, в этом месте мировая история немного запуталась. Первый эскиз подобного устройства датируется 1820 годом. Приписывается почему-то Уорену де ла Ру. Которому было… 5 лет от роду. Одинокий исследователь заметил несуразицу, поставив дату… 1840 год. Бессилен детсадовец сделать столь великое изобретение. Причем забылись впопыхах демонстрации Джеймса Боумэна. Многие исторические книги (одна 1961 года, авторства Льюиса) так трактовали неведомо уже откуда взявшуюся картинку. Видимо, автор ошибся, другой источник, 1986 года Джозефа Стоера, относит изобретение на счет Августа Артура де ла Рива (1801 года рождения). Гораздо лучше соответствует действительности, объясняя демонстрации Джеймса Боумэна пятнадцатью годами позже.

Прошло незамеченным русскоязычным доменом. Английские источники проблема трактуют следующим образом: имена де ла Ру и де ла Рив явно перепутаны, касаться могут минимум четырех личностей. Физики Уорен де ла Ру, Август Артур де ла Рив упомянуты, первый в 1820 году посещал детсад, образно говоря. Прояснить историю могут отцы упомянутых мужей: Томас де ла Ру (1793 – 1866), Чарльз Гаспар де ла Рив (1770 – 1834). Неизвестный джентльмен (леди) провел целое исследование, убедительно доказал: ссылка на фамилию де ла Ру несостоятельна, сослался горой научной литературы начала XX — конца XIX века.

Неизвестный потрудился просмотреть патенты Уорена де ла Ру, набралось девять штук. Лампы накала описываемой конструкции отсутствуют. Августа Артура де ла Рива, начавшего публикацию научных трудов в 1822 году, сложно представить изобретающим стеклянную колбу. Посещал Англию – родину лампочки накала – исследовал электричество. Желающие могут написать автору статьи англоязычного сайта по электронной почте [email protected]. Пишет «ежков»: с удовольствием примет к сведению информацию, касающуюся вопроса.

Истинный изобретатель лампочки накала

Достоверно известно, в 1879 году Эдисон запатентовал (US Patent 223898) первую лампочку накала. Потомки зафиксировали событие. Касаемо более ранних публикаций, авторство вызывает сомнение. Неизвестен подаривший миру коллекторный двигатель. Сэр Гемфри Дэви отказался брать патент на изобретенный безопасный фонарь для шахты, сделав изобретение общедоступным. Подобные прихоти создают немалую путаницу. Бессильны выяснить, кто первым придумал помещать нить накала внутрь стеклянной колбы, обеспечив работоспособность конструкции, используемой повсеместно.

Лампы накаливания выходят из моды

Лампа накаливания использует вторичный принцип производства света. Достигает высокой температуры нить. КПД устройств мал, большая часть энергии расходуется впустую. Современные нормы диктуют стране беречь энергию. В моде разрядные, светодиодные лампочки. Навсегда остались в памяти Гемфри Дэви, де ла Ру, де ла Рив, Эдисон, приложившие руку, потрудившиеся вырвать человечество из тьмы.

Обратите внимание, Чарльз Гаспар де ла Рив скончался в 1834 году. Следующей осенью прошла первая публичная демонстрация… Некто нашел записи погибшего исследователя? Вопрос разрешит время, ибо все тайное откроется. Читатели обратили внимание: неизвестная сила подталкивала Дэви попробовать использовать защитную колбу, помогая шахтерам. Сердце ученого оказалось чересчур большим увидеть явный намек. Нужной информацией англичанин обладал…

Легендарные лампочки Ильича можно назвать классикой жанра, «динозаврами» источников освещения, т.к. патент на их создание был принят в далеком 1879 году. Далее мы рассмотрим основные технические характеристики ламп накаливания, виды, а также плюсы и минусы применения в быту.

Устройство лампы накаливания включает в себя стеклянную колбу, в которой находиться вольфрамовая нить и инертный газ (ксенон, криптон либо аргон). Нить установлена на специальных опорах и электродах, через которые проходит электрический ток (наглядно вы можете увидеть конструкцию на картинке выше). При вкручивании цоколя в патрон, электричество проходит к вольфрамовой нити, которая накаляется и излучает свет. В этом и заключается принцип действия лампочки.

Характеристика

Основные технические характеристики лампы накаливания:

• диапазон мощностей — от 25 до 150 Вт (для бытового применения) до 1000 Вт;
• температура накала вольфрамовой нити в пределах 3000 градусов;
• световая отдача – от 9 до 19 Лм/ 1 Вт (к примеру, световой поток лампы накаливания 40 Вт может варьироваться от 415 до 460 Лм);
• номинальное напряжение — 220-230 В и 127 В;
• частота – 50 Гц;
• размер цоколя – 14 мм (E14), 27 мм (E27) и 40 мм (E40);
• ресурс работы или по простому срок службы – при нормальном напряжении около 1000 часов (220В) и 2500 часов (127 В);
• цоколь – резьбовой, штифтовой одно- и двухконтактный.

Технические характеристики бытовых ламп накаливания:

С параметрами разобрались, теперь поговорим о разновидностях.

Разновидности

На сегодняшний день существует широкий ассортимент лампочек, которые разделяются по следующим признакам:

• форма колбы (шарообразная, цилиндрическая, трубчатая, шароконическая и т.д.);
• покрытие колбы (прозрачное, зеркальное, матовое);
• назначение (общее, местное, кварцевогалогенные);
• наполнитель колбы (вакуум, аргон, ксенон, криптон, галоген и т.д.).

Рассмотрим фото и характеристики наиболее популярных видов ламп накаливания.

Прозрачные наиболее распространенный вариант. Такие изделия самые дешевые и наименее эффективные, т.к. световой поток рассеивается неравномерно. Недостаток прозрачных колб в том, что свет «бьет» по глазам. Зеркальные колбы более эффективные, т.к. покрытие создает направленный световой поток. Такие изделия пользуются популярностью при освещении витрин и торговых залов. Матовые делают освещение более мягким и рассеянным, благодаря чему создаются благоприятные условия для работы и отдыха при включенном свете. Изделия местного освещения работают при напряжении 12-24-38 Вольт, что необходимо для создания безопасных условий труда. Такие источники света могут применяться для освещения смотровой ямы при .

Маркировка

Маркировка ламп накаливания имеет вид: Первая буквенная часть — особенность конструкции и физические свойства изделия (Б — аргоновая биспиральная, В – вакуумная, Г – газополная аргоновая моноспиральная, БК – биспиральная криптоновая, МЛ – в колбе молочного цвета, МТ – матовая колба, О – опаловая колба). Вторая буквенная часть — назначение изделия (Ж – железнодорожная, СМ – самолетная, КМ – коммутаторная, А – автомобильная, ПЖ – прожекторная). Первая цифирная часть – номинальное напряжение и мощность. Вторая цифирная часть – номер доработки. К примеру, маркировка Б235 – 245-60 означает, что изделие биспиральное, работает при напряжении 245 В и имеет мощность 60 Вт.

Достоинства

Главное преимущество ламп накаливания заключаются в наименьшей стоимости изделий, по сравнению с конкурентами (светодиодами, и т.д.). Помимо этого можно выделить еще ряд преимуществ, которые и являются причиной выбора данных источников света:

• Могут нормально работать при низких температурах, благодаря чему применяются при .
• При незначительных скачках напряжения изделие не выходит из строя.
• Работают даже при очень низком напряжении (только вот интенсивность освещения снизится).
• Разновидность и мощность изделий имеет широкий диапазон, благодаря чему можно выбрать подходящий под определенные условия эксплуатации продукт.
• Могут нормально функционировать при повышенной влажности.
• Подключаются к сети без дополнительного оборудования.
• Превосходят газозарядные источники света по безопасности.