Как устроена лампа накаливания: принцип работы и потребление электрики_

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.

История изобретения лампочки

Внешний вид лампы накаливания

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 лампы накаливания

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.

Электротехнические параметры

Все лампочки производятся для разных напряжений. Поскольку тугоплавкий металл вольфрам имеет малое удельное сопротивление, для устройства светового элемента нужен длинный провод. Таким образом, нить накаливания в электрической лампочке часто достигает 50 микрометров. При включении света через тело накала проходит ток, превышающий рабочий в 10-14 раз. Чем больше прогревается нить, тем сильнее увеличивается сопротивление нити и снижается сила тока.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Рассмотрев, из чего состоит лампочка, важно понять и принцип её работы:

При включении света через донышко цоколя к телу накала проходит ток.
Вольфрамовая нить сильно разогревается после замыкания электрической цепи, что приводит к её свечению.
На этот момент температура нити достигает 570 градусов.
Таким образом спектр свечения лампочек сдвинут в сторону теплых температур.

Для справки: чем ниже градус вольфрамовой/угольной нити, тем ниже будет доля энергии, которая подходит к телу накала и провоцирует его видимое излучение. Ретро-лампы тем и отличаются, что медленнее и слабее прогревают спираль.

Разновидности световых элементов

Типы колб ламп

Классифицируют все изделия по разным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:

самые простые вакуумные (при их изготовлении из колбы отсасывается весь воздух),
наполненные газом аргоном,
ксенон-галогенные,
наполненные криптоном.

По типу предназначения лампочки делят на такие виды:

Декоративные. Работают по привычному принципу. Колба выполнена в виде свечи или шара.
Декоративные лампы накаливания
Общего назначения. Это знакомые всем обычные элементы, которые вкручиваются в люстру или бра. Часто мастера волнует вопрос, сколько ватт потребляет лампочка. Можно купить изделие на 40, 60, 90, 100, 120, 150, 200 и более Вт. Чем больше показатель, тем ярче будет свечение.
Лампы для локального освещения. Конструктивно они ничем не отличаются от обычных элементов. Но рабочее напряжение для них находится в диапазоне 12-42 В.
Лампочки для иллюминации. Имеют окрашенную в яркие цвета колбу. Рабочая мощность в диапазоне 10-25 Вт.
Сигнальные. Имеют предельно низкую мощность и используются для светосигнальных устройств. На сегодняшний день такие изделия уверенно вытесняются современными светодиодными лампами.
Прожекторные. Тело накала здесь укладывается особым образом за счет удобной её подвески в колбе. В результате удается достичь лучшей фокусировки свечения. Мощность таких ламп достигает 10-50 киловатт.
Зеркальная лампа
Зеркальные. Имеют особое покрытие колбы. Она частично обтянута пленкой распыленного термическим способом алюминия. Таким образом удается добиться узкой направленности светового луча. Зеркалки применяются для устройства локального освещения.
Транспортные. Эти изделия отличаются повышенной прочностью, устойчивостью к вибрациям. Для транспортных ламп используют специальные цоколи, благодаря которым можно быстро заменить осветительный элемент в стесненных условиях машины. Работают такие элементы от электросети авто 6-220 В.
Изделия для оптических приборов. Сегодня почти не выпускаются. Ранее использовались для кинопроекторов, медтехники. Лампы такого типа имеют колбу особой формы.
Коммутаторная лампочка. Относятся к классу сигнальных. Имеют малый размер колбы, что позволяет размещать их под кнопками панелей различных установок.
Двухнитевая сигнальная лампа

По количеству нитей накаливания все элементы бывают:

Двухнитевые. Имеют одно тело накала для дальнего (сильного) света и одно – для ближнего (слабого) освещения. Используются в авто, авиации, ж/д светофорах, в звездах Московского Кремля.
Однонитевые. Привычные лампочки с вольфрамовым телом накала.

Тело накала малоинерционных изделий имеет крайне тонкую спираль. Ранее они применялись для систем оптической записи звука. Существуют также нагревательные лампы, которые используют для устройства сушильных камер, электроплит, оргтехники и др.

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания имеют ряд своих достоинств:

приемлемую стоимость,
компактные габариты,
мгновенную реакцию на включение/выключение,
отсутствие мерцания, неблагоприятно воздействующего на глаза,
инертность к скачкам напряжения,
мягкая гамма свечения, способствующая расслаблению, созданию атмосферы уюта,
хороший индекс цветопередачи, равный Ra 90,
работа в любых условиях (в том числе при высокой влажности),
постоянная доступность для потребителя,
экологичность,
отсутствие шума при работе,
инертность к ионизирующей радиации.

К недостаткам ламп накаливания относят такие моменты:

хрупкость, чувствительность к механическим повреждениям,
сравнительно малый срок эксплуатации,
низкий КПД, не превышающий 5-7% (отношение расходуемой мощности к видимому излучению),
пожарная опасность при прямом контакте лампы с горючими веществами (текстиль, солома и др.),
вероятность взрыва при термическом ударе или разрыве спирали под напряжением.

Несмотря на все перечисленные недостатки, привычные лампочки уверенно сохраняют за собой занятые позиции. Более 70% населения СНГ все еще пользуются ими.

КПД и долговечность

Влияние напряжения на срок службы лампочки

Разбирая, как устроена лампа накаливания, важно понять коэффициент ее полезного действия. При световой температуре 3400 Кельвинов КПД элемента составляет 15%. Имеется в виду отношение потребляемой мощности к видимому человеческим глазом световому излучению. При температуре 2700 К (средняя нормальная для обычной бытовой лампы) коэффициент полезного действия равен всего 5%.

Чем выше температура накала, тем большим будет КПД. Но при этом срок службы изделия снижается. К примеру, если повысить напряжение на 20%, яркость освещения станет сильнее повысится КПД лампочки, однако срок эксплуатации сократится на 90-95%. Соответственно, снижение напряжения приводит к уменьшению коэффициента полезного действия изделия и увеличению срока его эксплуатации.

Как увеличить срок службы лампы накаливания

Схема устройства для увеличении срока службы лампы накаливания

В среднем обычная бытовая лампочка накаливания служит 700-1000 часов. Но на деле элемент перегорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, нужно предотвратить провоцирующие перегорание спирали факторы.

Учитывать диапазон напряжений. Его указывают на колбе изделия. Как правило, он равен 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. При превышенном напряжении в доме изделие будет перегорать скорее. К примеру, в квартире максимальное напряжение 220 В, а лампа куплена с диапазоном 125-135 В. Здесь нить накала перегорит однозначно быстрее, поскольку увеличивается КПД изделия.
Устранить неисправность патрона. Если лампы перегорают часто, стоит осмотреть его, перепроверить контакты. При необходимости патрон меняют.
Исключить вибрации. Они приводят к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому перенос мобильных светильников лучше выполнять с выключенной лампочкой.

Для продления срока службы лампы накаливания можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. В этом случае изделие проработает дольше в 3-3,5 раза при экономном расходе электроэнергии.