Каким газом наполняют лампочки накаливания для продления их срока службы

Для создания искусственного освещения часто используют обычную лампу накаливания. Этот элемент знаком всем еще со времен СССР. Стеклянная колба, патрон и спираль — основные видимые части продукта. Как устроена лампа накаливания изнутри, интересно и мастеру-новичку, и профессионалу.

Изделие проектировалось и дорабатывалось многими учеными в разные периоды. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым В.В. в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые подключались к полюсам гальванической батареи. В момент их сближения возникал электрический разряд, и над элементами формировалась светящаяся дуга. Применение такой лампы в быту было невозможным по ряду причин – неудобство конструкции, быстрое перегорание угольных стержней. Зато мировые ученые начали понимать, из чего сделать лампу.

Спустя 70 лет в 1872 году Лодыгин А.Н. получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали в ней был использован стержень ретортного угля, который находился под стеклянным колпаком.

Уже в 1880 году 10 мая лампочкой Лодыгина было обустроено уличное освещение в Санкт-Петербурге на Литейном мосту. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1880 году в США Томас Эдисон представил усовершенствованную лампу накаливания Лодыгина. Он сумел добиться устранения воздуха из стеклянной колбы, что обеспечило более длительное горение спирали и более яркое её свечение. Эдисон также разработал цоколь с резьбой для ввинчивания лампы в патрон.

В 1910 году было принято решение скручивать вольфрамовую нить в спираль для увеличения ресурса её службы. Таким образом, изделие теперь работает вместо первоначальных 50-100 часов целых 1000 ч.

Принцип теплового получения излучения используют и при производстве галогеновых ламп дневного света.

Из чего состоит лампа

Строение и схема лампы накаливания выглядят так:

  • стеклянная колба грушевидной или округлой формы;
  • тело накала (вольфрамовая или угольная нить), расположенное в ней на двух держателях-крючках;
  • два электрода;
  • предохранитель;
  • ножка;
  • цоколь (корпус) с изолятором;
  • его контакт (донышко).

Окисление вольфрамовой нити (спирали, тела накала) исключается за счет её помещения в вакуум или газообразную среду. Ими наполняют стеклянную колбу.

Что такое лампа накаливания?

Лампа накаливания общего назначения (ЛОН) – это искусственный источник света, получаемый в процессе воздействия электрического тока на нить накала. Первооткрывателем данной лампочки считается американский изобретатель Томас Эдисон. Патент на своё изобретение он получил 20 декабря 1879 года.

Увеличиваем срок службы лампы накаливания! Для чего?

Из чего же состоит лампа накаливания? Конструкция этого нехитрого устройства довольно проста. На цоколе расположены контакты, которые соединены с электродами. При помощи специальных держателей, между электродами устанавливается нить накала. Кстати, в подавляющем большинстве лампочек, нить накала производят из вольфрама, поскольку он условно дешевый и плавится при крайне высоких температурах. Затем все «внутренности» лампы закрывают колбой. Зачем она нужна? Стеклянная колба выполняет две функции: во-первых, она является защитным барьером, ведь температура раскаленной нити может достигать более 2000 градусов Цельсия; а во-вторых – из колбы откачивают воздух, что позволяет исключить окисление нити накала.

Бывают еще варианты, когда в колбу закачивают некоторые благородные газы, такие как: азот либо аргон. Присутствие этих газов в лампе приводит к предотвращению быстрого испарения металла, из которого сделана нить. Таким образом стараются продлить срок эксплуатации лампы.

Принцип действия лампы накаливания

Если объяснить простыми словами, то принцип работы лампы состоит в преобразовании электрической энергии в световую. Электрический ток от контактов на цоколе проходит по электродам и разогревает нить накала. За счет высокой температуры вольфрамовой нити, от неё начинает излучаться свет. Нить накала не плавится, за счет порога температурного плавления вольфрама (температура нити накала составляет около 2000 градусов Цельсия, а вольфрам плавиться при 3400 градусов Цельсия).

Таким образом, при установке лампочки в патрон светильника, мы можем наблюдать свет.

Лампа накаливания

Электрическая лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания (от греческого λαμπάς – светоч, светильник ), искусственный источник света с излучателем из тугоплавкой проволоки (обычно в виде нити или спирали), накаливаемой электрическим током . Изобретена А. Н. Лодыгиным в 1872 г. (патент – 1874); в качестве нити накала использовался угольный стержень, помещённый в стеклянный баллон (колбу), из которого за счёт сгорания части угля при пропускании тока удалялся кислород . В дальнейшем конструкция лампы накаливания постоянно совершенствовалась. В 1879 г. Т. А. Эдисон создал пригодную для промышленного изготовления конструкцию лампы накаливания с угольной нитью повышенной долговечности (около 40 ч), разработал для электроламп патрон и цоколь с винтовой нарезкой, а также применил откачку воздуха из баллона. В 1898–1908 гг. в качестве тела накала испытывались металлы (Os, Ta, W), а с 1909 г. стали применяться лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Для снижения скорости испарения нити накала И. Ленгмюр предложил наполнять лампы накаливания инертным газом (1909). В 1912–1913 гг. появились первые лампы накаливания, наполненные азотом и инертными газами (Ar, Kr); вольфрамовую нить стали изготовлять в виде спирали. Заполнение лампы накаливания инертными газами с добавками галогенов позволило уменьшить загрязнение колбы лампы частицами распылённого металла и существенно увеличить время жизни таких ламп. Использование тела накала в форме биспирали (спирали, навитой из спирали) сократило потери теплоты через газ .

Излучение лампы накаливания обусловлено законами теплового излучения , в том числе законом Кирхгофа , связывающим испускательную и поглощательную способности реального излучателя с испускательной способностью абсолютно чёрного тела, и законом Планка , дающим спектральное распределение излучения . Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура достигала нескольких тысяч градусов. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение. Для получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая, в свою очередь, ограничена температурой плавления материала нити. В современной лампе накаливания применяются материалы с максимальными температурами плавления – W (3420 °C) и (реже) Os (3027 °C). При практически достижимых температурах 2300–3300 °C лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Для оценки качества света служит цветовая температура.

Конструктивно многочисленные разновидности лампы накаливания состоят из однотипных частей, различающихся размерами и формой. Типовая лампа накаливания представляет собой стеклянную колбу, в которой на стеклянном или металлическом штенгеле с помощью держателей из молибденовой проволоки закреплено тело накала (моно- или биспираль из вольфрама). Концы спирали соединены с электрическими вводами, средняя часть которых с целью создания вакуумно-плотного соединения со стеклянной лопаткой выполняется из платинита или молибдена. Для крепления к патрону лампа снабжается цоколем, прикрепляемым к колбе специальной мастикой. Большинство современных ламп накаливания являются газонаполненными; наполнение – в основной смеси инертных газов (Ar, Kr, Xe и др.) с небольшим количеством N, иногда с добавками галогенов (обычно I или Br). Азот вводится с целью исключения возникновения газового разряда в лампе. Лампы малой мощности (до 25 Вт) из экономических соображений, как правило, выполняют вакуумными (остаточное давление воздуха 10–1 мПа).

Лампы накаливания классифицируют: по областям применения (осветительные общего назначения – для внутреннего и наружного освещения; специального назначения – транспортные, метрологические, для сигнализации и индикации, для оптических систем, местного освещения и др.); по основной конструктивной форме и светотехническим свойствам колбы (прозрачные и матовые, с зеркальным куполом, шаровые, каплевидные, декоративные – в форме свечи, пламени и т. п., с рассеивающим покрытием и др.); по форме тела накала (лампы со сплошной моно- или биспиралью – прямолинейной, дуговой, в виде зигзага; с телом накала, сформованным из отдельных секций или в виде плоской пластины, и др.). По габаритным размерам различают сверхминиатюрные, миниатюрные, малогабаритные, нормальные и крупногабаритные лампы накаливания (например, к сверхминиатюрным относятся лампы длиной менее 10 мм и диаметром менее 6 мм; у крупногабаритных ламп длина превышает 175 мм, а диаметр – 80 мм).

Лампы накаливания изготовляются на напряжения от долей до сотен вольт, мощностью от долей ватта до десятков киловатт. Срок службы (средняя продолжительность горения) колеблется от 5 ч (например, самолётные фарные лампы) до 2000 ч и более. Световая отдача зависит от конструкции, напряжения, мощности и продолжительности горения лампы и составляет 10–35 лм/Вт. По световой отдаче лампы накаливания уступают разрядным источникам света, однако они проще в эксплуатации (не требуют пусковых устройств и сложной арматуры) и практически не имеют ограничений по напряжению и мощности. Лампы накаливания широко применяются в светильниках общего освещения , прожекторах , проекционных аппаратах, автомобильных и самолётных фарах, а также для кино-, фотосъёмочного и телевизионного освещения и др. С 1990-х гг. лампы накаливания общего назначения постепенно вытесняются более экономичными (т. н. энергосберегающими) компактными люминесцентными лампами со встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и резьбовым цоколем.

Редакция технологий и техники

Опубликовано 13 марта 2023 г. в 11:22 (GMT+3). Последнее обновление 13 марта 2023 г. в 11:22 (GMT+3). Связаться с редакцией

Галогенные лампы с отражателем (галогенные лампы направленного света).

Эти лампы производятся в стандартных типоразмерах – MR8, MR11 и MR16. Самый ходовой типоразмер галогенных ламп – MR16 (диаметр колбы 50 мм). Галогенные лампы с отражателями характеризуются различными углами излучения. Цоколи галогенных ламп с отражателями имеют двухштырьковые разъемы: GY4, GZ4, GU4, GX5,3, GU5,3, GY6,35 – для низковольтных галогенных ламп (на 6, 12 или 24 В). Цифра в маркировке после букв означает расстояние между штырьками в мм.

Капсульные (пальчиковые) галогенные лампы.

Данный тип ламп имеют небольшие размеры, выпускаются с поперечными и продольными телами накала. Такие лампы используются в открытых светильниках без защитных стекол. Цоколи для капсульных ламп: G4, G5,3, GY6,35. Капсульные галогенные лампы сетевого напряжения имеют цоколь G9 (расстояние между штырьками 9 мм)..

Обозначение галогенных ламп (Х-Х-Х-Х)

  • X — буквенное обозначение:
  • К — кварцевая;
  • Г — галогенная;
  • Д — дифференциального излучения;
  • И — с интерференционным отражателем;
  • К — с концентрированным телом накала;
  • П — произвольного положения горения;
  • М — малогабаритная;
  • МН — миниатюрная;
  • Т — термоизлучатель;
  • О — с отогнутыми концами;
  • Э — с эллипсоидным отражателем.
  • X — номинальное напряжение, В (6, 9, 12, 15, 24, 27, 30, 36, 48, 75, 110, 120, 127, 220); диапазон напряжений 220-230, 240, 380.

Могут ли колбы быть не наполнены?

Да, это возможно. Причем такое явление встречается не так уж и редко. Создание вакуумной зоны внутри колбы – это наиболее дешевый способ производства лампочек. В этом случае из их внутренней части полностью удаляют все газы, что замедляет процессы окисления и износа деталей.

Применение газа в лампах накаливание – это распространенная практика. Такие вещества повышают безопасность и долговечность конструкции и делают ее более безопасной для окружающих.

Видео описание

Это интересное видео об изобретении лампочки накаливания:

Коротко о главном

Лампой накаливания является изделие, которое излучает искусственный свет. Данный осветительный прибор состоит из жаростойкой прозрачной колбы из силикатного стекла, спиралевидной нити накала сейчас из вольфрама, резьбового цоколя с двумя контактирующими частями, двух токоведущих электродов, один из которых является плавким предохранителем.

Такой вид лампочки излучает свет за счет нагрева электрическим током тела накала. В случае с вольфрамом это происходит при температуре от 2000 ℃ до 2500 ℃. К основным электротехническим характеристикам лампочки накаливания относится рабочее напряжение, а также номинальная мощность. Кроме того, такой электрический прибор отличается непрерывным и естественным спектром.

Плюсы и минусы ламп накаливания

В этом разделе поговорим про плюсы и минусы ламп накаливания в сравнении с другими видами, более современными. У других видов ламп в свою очередь есть свои плюсы и минусы, они отличаются друг от друга, поэтому в рамках данной статьи мы будем говорить в среднем. Например, срок службы у светодиодной лампы раз в 10 выше, чем у люминесцентной, но оба этих типа служат дольше, чем лампа накаливания. Ну а начнем мы с минусов, которые у лампы накаливания следующие:

  • Срок службы у лампы накаливания небольшой, редко это даже 1000 часов. Среди всех видов ламп он в среднем самый низкий.
  • Зависимость от напряжения, от этого зависит и световая отдача. Кроме того, перепады напряжения могут негативно сказаться на сроке службы.
  • Световая отдача самая низкая, КПД у ламп накаливания не выше 4%.
  • Пункт выше является следствием того, что большая часть электроэнергии уходит в тепловую, поэтому колба лампы всегда горячая. Температура зависит от мощности лампы, но может превышать 300 градусов по Цельсию, а это уже пожароопасно.
  • Лампы накаливания очень хрупкие, они чувствительны не только к ударам, но и к вибрациям.

Это основные минусы, каждый из которых можно назвать весьма существенным. Конечно, основной, из-за которого лампы накаливания используются все меньше, это их КПД, но и другие недостатки имеют немалое значение. Но есть у ламп накаливания и плюсы:

  • Цена самая низкая, впрочем, сегодня разница с некоторыми другими видами ламп уже не такая очевидная.
  • Включается и выключается мгновенно.
  • Спектр излучения у лампы накаливания приятен человеческому глазу.
  • Индекс цветопередачи высокий.
  • Нет нужды в пускорегулирующей аппаратуре, может работать на любом токе и с любой полярностью напряжения.
  • Работает бесшумно, не создает помех.

Это основные плюсы ламп накаливания, которые позволяют им оставаться в строю и сегодня. Да, используют их куда реже, чем лет 20 назад, но они все еще не вышли из употребления и не выйдут еще скоро. Лампы накаливания целесообразно использовать там, где свет включается редко, например, в кладовой и т.д. В такие места экономически целесообразно поставить дешевую лампу, при этом то, сколько она потребляет энергии и сколько служит уже не столь значимо. Но если речь идет про помещение, где свет нужен 3 и более часов в день, то тут лучше смотреть все же в сторону энергосберегающих ламп. Пусть они и более дорогие, но за счет экономии потребления электроэнергии будут сэкономлены и денежные средства, плюс служат они значительно дольше. Впрочем, если говорить про срок службы, то это зависит не только от типа лампы, но и от качества её изготовления. Относится это и к лампам накаливания, хотя их производство давно налажено, сама технология простая, но и тут встречаются низкокачественные или бракованные, которые «перегорают» после пары-тройки сотен часов службы. Главная проблема в том, что определить качество ламп на глаз невозможно.

Лампа накаливания

Виды ламп накаливания

Выше мы говорили про типичную лампу накаливания, которая чаше всего используются в быту, но существуют и другие типы. В первую очередь их разделяют по тому, чем заполнена колба. Наименее эффективными считаются вакуумные лампы — внутри у них вакуум, как понятно из названия. Более эффективными считаются аргоновые, потом криптоновые, потом ксенон-галогенные, впрочем, последние используются очень ограничено. Суть в том, что инертные газы улучшают свойства ламп, повышает КПД (правда, незначительно), увеличивают срок их службы. Но также лампы накаливания разделяют на виды исходя из особенностей их конструкции, назначению и сфере использования. Тут есть много разных вариантов, все перечислять не будем, расскажем лишь про те виды, которые используются чаще всего.

  • Общего назначения. Это обычная бытовая лампа без каких-либо особенностей, то есть, та лампа накаливания, которую знает каждый. Самый массовый вид, который использовался (да и используется) в разных сферах, но, конечно, больше всего в бытовых осветительных приборах.
  • Местного освещения. По своему устройству и конструкции ничем не отличаются от ламп накаливания общего назначения, но они рассчитаны на более низкое напряжение (от 12 до 42 Вт). Используются в переносных светильниках, а также на производствах, например, для подсветки рабочей зоны станка.
  • Декоративные. Имеют не обычную форму колбы, а фигурную, используются в люстрах и т.д. Из-за фигурной колбы дороже аналогов.
  • Прожекторные. Отличаются очень большой мощности, которая зачастую измеряется в кВт. Впрочем, сегодня в прожекторах лампы накаливания используются все реже, так как более современные типы значительно эффективнее их.
  • Иллюминационные. Этот вид ламп накаливания обычно имеет небольшую мощность, не более 36 Вт, но главное их отличие это колба окрашенная в разные цвета. Как понятно из названия, подобные лампы используются не для освещения, а для иллюминации.
  • Транспортные. Выделяют и такой вид ламп накаливания, хотя фактически тут очень много разных подвидов, которые используются в разных транспортных средствах. Могут быть рассчитаны на разное питание, иметь дополнительную защиту и т.д. Впрочем, и в этой сфере они вытесняются более современными типами ламп.
  • Специальные виды ламп накаливания. Про специальные можно говорить долго, их много, но в целом под этой группой можно объединить такие лампы накаливания, которые используются в узких сферах. Например, нагревательные лампы, которые используются в качестве источника тепла. Или проекционные лампы, которые использовались в кинопроекторах и отличались повышенной яркостью, но при этом срок их службы был существенно меньше.

Это основные виды ламп накаливания, которые используются сегодня или использовались еще не так давно. Отметим, что любому виду присущи достоинства и недостатки лампы накаливания в целом, но некоторых из них могут отличаться от средних показателей. Например, иметь более короткий срок службы.

Лампа накаливания

Галогенные лампы накаливания

Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия срав­нимы с лампами накаливания. Но они содержат в газенаполнителе незначи­тельные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их комбинации. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть силь­но уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газенаполнителе, и, с другой стороны, становится возможным применение до­рогих инертных газов (криптон и ксенон) в качестве газовнаполнителей.

Современные галогенные лампы имеют ряд существенных преимуществ:

  • неизменно яркий свет в течение всего срока службы;
  • красивый, сочный свет, обеспечивающий великолепную цветопередачу и возможность создания привлекательных световых эффектов;
  • больше света при такой же мощности, благодаря более высокой световой отдаче, а, следовательно, и повышенная экономичность;
  • увеличенный вдвое срок службы, по сравнению с лампами накаливания;
  • уменьшенные размеры.

Существенные характеристики лампы накаливания  световая отдача и срок службы  в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы. Сокращение срока службы является последствием быстро растущей при повышении температуры скорости испарения вольфрама, которая приводит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой  к перегоранию спирали. Потемнение колбы можно эффективно предотвратить с помощью галоген­ной добавки к газунаполнителю, которая в процессе вольфрамогалогенного цикла не дает уже испаренному вольфраму осесть на стенках колбы. Испаренный из спирали в процессе работы лампы вольфрам попадает в результате диффузии или конвекции в температурную область (T1< 1400 К) вблизи стенки колбы, где образует стабильное вольфрамогалогенное со­единение. Вместе с тепловым потоком эти соединения снова перемещаются в зону горячей спирали (Т2 > 1400 К) и там снова распадаются. Часть вольфрама снова восстанавливается на спирали, но уже на новом месте. Нормальный вольфрамогалогенный цикл приводит т.о. лишь к предот­вращению потемнения колбы, но не к увеличению срока службы, который закончится в результате разрыва спирали на возникших «горячих ячейках». Вольфрамо-галогенный цикл Галогенные лампы накаливания нового поколения, с отражающим инф­ракрасное излучение покрытием ламповой колбы, характеризуются значи­тельным повышением световой отдачи. Это обусловлено следующим физическим процессом. Часть энергии, ко­торая в обычных галогенных лампах накаливания преобразовывается в неви­димое инфракрасное излучение (более 60% производительности излучения), в лампах с покрытием частично преобразовывается снова в свете. Это становится возможным благодаря структуре покрытия, которое пропускает только видимый свет, а инфракрасное излучение по возможности полностью воз­вращает на спираль, где оно частично поглощается. Это вызывает повыше­ние температуры спирали, вследствие чего подачу электроэнергии можно сократить. Световая отдача возрастает. По конструктивным признакам галогенные лампы накаливания делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала при соотношении длины ламп к диаметру более 10  линейные или трубчатые лампы; с компактным телом накала при отношении длины тела накала к диаметру не менее 8  эти галогенные лампы накаливания подразделяются в свою очередь на мощные и малогабаритные, в которых электроды размещены обычно с одной стороны. Лампы для светильников общего освещения и прожекторов выпускаются преимущественно на напряжение 220 В мощностью от 1 до 20 кВт; световая отдача — 22. 26 лм/Вт, срок службы — 2000 ч, лампы трубчатые, положение горения — горизонтальное.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий