Сложно встретить человека не знакомого с лампой накаливания – устройства освещают помещения домов и улицы городов на протяжении 100 лет. Развитие технологий постепенно вытесняет «лампочки Ильича», но они еще встречаются в жизни.
Лампочки по назначению бывают:
- Общего применения. Используются для декорирования и освещения.
- Декоративные, колба у которых выполнена в виде фигур.
- Лампы пониженного напряжения питания – от 2,5 до 42 В. Применяются в местах повышенной опасности – на открытых площадках, подвалах.
- Цветные источники света, выпускают в колбах из окрашенного стекла. До изобретения светодиодов использовались в декоративной подсветке сцен и съемочных площадок, организации презентаций.
- Сигнальные. Используются для отображения данных в информационных табло.
- Лампы для транспортных средств. Выделяются прочностью и стойкостью к вибрационным нагрузкам.
- Осветительные прожекторные. Из-за высокой мощности применялись для освещения открытых пространств – на стадионах, железнодорожных станциях, прожекторах, используемых сотрудниками охранных ведомств.
- Специальные лампы для оптики – кинопроекторы, измерительные и медицинские приборы.
Изначально была изобретена осветительная лампа накаливания, кажется, что это простое устройство – на самом деле это не так.
Как шли к открытию?
История лампы накаливания началась в начале XIX века. В школьном курсе физике принято считать изобретателем лампы накаливания Томаса Эдисона (1847–1931), однако, у изделия имелись прародители.
В 1803 году русский изобретатель Василий Владимирович Петров (1761–1834) изучая проводимость материалов, получил электрическую дугу между угольными проводниками. Он предложил пользоваться явлением для освещения пространства. Однако, из-за быстрого сгорания угля, практического применения открытие в те годы не получило.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Задать вопрос экспертуПодробнее о В.П. Петрове рассказано в видео:
Научно описал в 1809 г. дуговой разряд между угольными стержнями сэр Гемфри Дэви (1778–1829) – создатель английской школы электрохимии. Труды стали основой для последующих открытий. Только в 1838 году бельгийцем Жобаром создан устойчиво работающий прототип лампы с угольным сердечником, горение проходило в воздушной среде, поэтому разрушение электрода завершалось очень быстро.
Вскоре, в 1840 году членкор Петербургской академии наук англичанин по происхождению Уоррен Деларю (1815–1989) в качестве материала нити накаливания использовал платину. Устройство успешно освещало помещение, но из-за дороговизны драгоценного металла и его низких прочностных свойств, до промышленного использования дело не дошло.
Устройства Жобара и Деларю стали прорывом в науке, но запатентованы не были.
Первый патент удалось получить ирландцу Фредерику де Моллейну в 1841 году. Устройство представляло собой спираль из платины, находящуюся в вакууме – это увеличивало срок использования.
Американец Джон У. Старр в 1844 г. получил американский, а в следующем году британский патент на лампочки с углеродной нитью. Работы остановились, серия лампа не пошла в связи со смертью изобретателя.
Не прошел мимо изучения электрической дуги и великий французский ученый Жан Бернар Фуко. Заменив в 1844 древесный уголь на ретортные угольные электроды, он добился увеличения срока использования устройства, придумав попутно «первый диммер» – интенсивность света регулировалась изменением длины электрической дуги.
Следующий шаг был сделан Генрихом Ге белем из Германии. Он вел эксперименты, использовав в качестве электродов обугленные палочки бамбука, находящиеся в вакууме колбы. Прибор Гебеля считается прототипом первой лампочки.
С 1860 по 1878 год англичанин Джозеф Вильсон Свон (Суон) работал над применением угольного волокна и получил в итоге патент на изобретение лампы. Особенностью прибора стала разреженная кислородная атмосфера, в которой нагревалось и излучало видимый свет угольное волокно. Технология позволила увеличить видимое свечение.
Нить накаливания крупным планом Параллельно со Своном проводил эксперименты и получил в 1874 г. патент на нитевую лампу российский ученый А.Н.Лодыгин. Василий Федорович Дидрихсон российский ученый усовершенствовал конструкцию своего соотечественника. Из колбы откачали воздух, и было установлено несколько электродов. После сгорания одного, начинал светиться следующий электрод – время службы повысилось.
В 1976 г. российский физик Павел Николаевич Яблочков, изучая изоляционные материалы, применил обмазку нити белой глиной (каолином). Лампа светилась на воздухе, не требуя создания вакуума. Для пуска приходилось подогревать нити спичками. Сам изобретатель скептически относился к электрическому освещению и прекратил работу в этом направлении. Однако, некоторое время лампы Яблочкова выпускались в промышленном масштабе, но в итоге были вытеснены лампами накаливания. Такими приборами освещался Париж, Лондон, Санкт-Петербург, устанавливались светильники на паровозах и кораблях.
Томасу Эдисону (США) удалось усовершенствовать изобретения Лодыгина и Яблочкова. В 1880 году был получен патент на лампу с угольными электродами.
Изобретение, сделанное А.Н. Лодыгиным
Начал работы ученый с разработки светильника с угольными электродами. За достигнутые результаты он получил премию Академии наук, но опыты продолжил. В 1874 году Александр Николаевич Лодыгин запатентовал лампу с нитевым накальным телом. Суть изобретения заключалась в накале платиновой (вольфрамовой) нити в вакуумной колбе.
Горение – химическая окислительная реакция с участием кислорода. Вакуум подразумевает отсутствие кислорода, следовательно, скорость окисления резко снижается. Благодаря такому свойству лампы Лодыгина получили увеличенный ресурс. К 1890 году разработаны похожие на сегодняшние лампы с закрученными в спираль нитями накала, производимыми из вольфрама или молибдена, что снижало их стоимость по сравнению с платиновыми.
Вклад Томаса Эдисона
В конце 1870 годов за усовершенствование электрических светильников взялся известный на весь мир ученый из Америки Томас Эдисон.
С целью продления срока службы нити, предпринимались попытки отключать напряжение, после нагрева спирали до предельно допустимых температур. Для этого в колбу встраивался автоматический выключатель. Однако этот путь не привел к приемлемому результату – было видно мигание.
Акцент исследований сместился на эксперименты с материалом для изготовления нитей накала. Было проведено около 2000 опытов.
Эдисон со своим изобретением В итоге в 1879 году Эдисон получил патент на лампочку платиновой спиралью и временем горения до 40 часов.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос экспертуВажно! Стоит отметить, что Лодыгину на получение патента в Америке банально не хватило денег. Поэтому изобретение приписывается Эдисону.
Основное отличие от приборов Лодыгина – создание вакуума с меньшим количеством, оставшегося в колбе воздуха. В 1880 году, лампы с бамбуковыми электродами горели у Эдисона около 600 часов. Немаловажное значение в распространении ламп Эдисона имела изобретенная им же винтовая конструкция цоколя, позволявшая быстро и безопасно менять вышедшие из строя приборы.
Патентные войны привели к образованию совместного предприятия Суонса и Эдисона, выросшего со временем в мирового лидера по продаже электрических ламп. Увеличение производства сказалось на снижении себестоимости изделия и еще большему распространению.
Таким образом, разработка технологии изготовления лампы накаливания проводилась учеными из России, Германии, США, Бельгии, Великобритании. Объединив лучшее, на практике Томас Эдисон организовал массовый выпуск приборов. Поэтому ему и приписывают авторство.
Что собой представляет?
Лампа накаливания – электроприбор, свет в котором излучает тело накала, разогреваемое проходящим через него электротоком. Исключают окисление (сгорание) нити накала, размещая его в вакууме, создаваемом в герметичной стеклянной колбе. Напряжение к нити подводится через контакты, размещенные в цоколе.
Заполняя внутреннее пространство колбы галогенным газом. К останкам кислорода добавляют йод и бром. В естественных условиях бром – жидкость, а йод – кристаллы. Это уменьшает износ нити, что позволяет ее нагреть до более высокой температуры. Все это позволяет увеличить длительность службы изделия. Материал спирали в современных источниках света – вольфрам, рений, редко осмий.
Все элементы лампы накаливания Конструкционные особенности
Конструкции современных ламп отличаются по разным показателям:
- Форме колбы.
- Строению цоколя.
- Газу наполнителю.
- Наличию предохранителя внутри конструкции.
- Материалу тела накала.
- Особенностям, зависящим от назначения.
Производители предлагают на выбор различные по исполнению колбы лампы. Некоторые разновидности показаны на рисунке. Потребитель выбирает подходящую форму, основываясь на допустимой мощности и размера светильников. Для создания направленности потока света внутреннюю часть колбы покрывают слоем алюминия.
Варианты форм ламп накаливания Существуют лампы с цоколем и без него.
Классическое резьбовое соединение впервые предложил Соун, творчески развил идею Эдисон – отсюда и буквенная маркировка винтового цоколя Е, по первой букве фамилии изобретателя.
Некоторые модели цоколей представлены на рисунке:
Основные виды цоколей ламп накаливания В странах с иным уровнем напряжения в электросетях продают лампы с цоколями, исключающими вкручивание в патроны, предназначенные для других напряжений. Например, в США, где уровень напряжения 110–127 В не удастся вкрутить лампочку для Европы (220–240В).
От состава газа, которым наполняют колбу, зависит светимость и долговечность лампы. Например, галогенный газ способствует разогреванию нити до высоких температур, сохраняя при этом продолжительность службы. Благодаря эффекту появились галогенные лампы, при одинаковой светимости они меньше по размерам и потреблению электроэнергии по сравнению с вакуумными моделями.
Сегодня распространены лампы с наполнением колбы:
- Вакуумные.
- Аргоновые или азотно-аргоновые.
- Ксеноновые.
- Криптоновые.
Плавкий предохранитель защищает колбу от взрыва при сгорании спирали. При обрыве нити, раскаленные капли вольфрама попадали на стенки колбы, она прожигалась, происходил взрыв с разбросом осколков. Предохранителем служит часть подводящего проводника, находящегося в атмосферном воздухе внутри цоколя. Искра, возникающая в вакууме, быстро гасится. В лампе может появляться черный «дымок», но колба остается целой.
Масштабное появление ламп на рынке
Появление ламп на рынке связано с дешевизной, простотой использования в сравнении с газовыми, бензиновыми и нефтяными светильниками. Улучшать прибор человечество продолжает на протяжении всей истории после их появления. Разработки привели к возникновению продукции, выполняющей самые разные функции:
- Проекционные лампы повышенной светимости. Конструкция прибора исключает появление затененных областей по краям зоны для исключения некачественного отображения картинки на экране.
- Лампочки для подсветки кнопок и переключателей в радиотехнической аппаратуре.
- Фотолампы – вспышки и пилотные (постоянного свечения на пониженной мощности) предназначены для мгновенного или долговременного освещения места фотосъемки.
- Лампа фара выполняется в одном корпусе с отражателем и фокусирующим стеклом.
- Модели с двумя нитями предназначены для использования в фарах автомобиля (ближний и дальний свет), задних фонарях авто (габариты и стоп-сигнал). Устанавливаются в такие источники света в местах, где может возникнуть потребность в резервировании. В случае перегорания одной из спиралей, зажигалась резервная.
- Нагревательные лампы применяют в лазерных принтерах.
- Лампы со специальным спектром излучения для научных приборов.
Лампы накаливания прошли длительный путь эволюции. В освещении им на смену приходят светодиоды, но во многих областях техники без таких устройств не обойтись.
Современный мир невозможно представить без электричества. А ведь сравнительно недавно, каких-то двести лет назад, о нем можно было только мечтать. Освещение домов в темное время суток было доступно лишь состоятельным людям: жизнь простых крестьян и горожан зависела от солнечного света. Изобретение лампочки положило конец этому неравенству. Привычный для нас прибор сконструировали далеко не сразу. Давайте вспомним, какой путь прошли изобретатели, чтобы в домах было всегда светло.
Cодержание
Светильники до появления электрического аналога.
Человек искал пути освещения в ночное время с тех самых пор, как стал “человеком разумным”. Если на экваторе световой день достаточно длинный, то в северных широтах зимой он составляет всего 6-7 часов. Человек – не медведь, он не может спать остальные 16-17 часов. Технология освещения жилищ во всем мире в доэлектрическую эпоху была одна: огонь . Вначале это был просто костер в пещере. Затем, по мере цивилизации и усложнения жизненного уклада, стали появляться прообразы ламп. В огнестойкую емкость заливали подходящий состав и клали фитиль из ткани. В разных странах для этих целей использовали разные жидкости: жиры, растительные и минеральные масла, природный газ. Подобные лампы были пожароопасны и нещадно чадили. Да и свет от них был весьма тусклым.
В Средние века придумали свечи из пчелиного воска. Чадили они меньше. Использование большого количества свечей позволяло хорошо освещать помещения. Но пожароопасность никуда не ушла – необходимо было вовремя их гасить. Естественно, что использование большого количества свечей было доступно только богатым аристократам или мещанам. Простолюдинам по-прежнему оставалось довольствоваться тусклым светом восковой свечки или керосиновой лампы.
Кто и когда первым в мире изобрел электрическую лампочку.
Все изменилось с изобретением электричества . Постепенно изобретатели нашли способ безопасно, ярко и дешево осветить дома всех людей.
В вопросе первенства изобретения лампочки, как и во многих других, отечественная и мировая точка зрения различаются. В России принято считать первооткрывателями Павла Николаевича Яблочкина и Александра Николаевича Лодыгина . Ученые придумали разные типы осветительных приборов. Яблочкин в 1875-1876 годах первым сконструировал дуговую лампу . Однако в дальнейшем ее признали неэффективной. Лодыгин же двумя годами ранее (1874 год ) получил первый патент на лампу накаливания .
В мире же считается, что первая лампочка изобретена Томасом Эдисоном . Свой патент американский ученый получил в 1879 году, на пять лет позже Лодыгина. Эдисон после долгих экспериментов сконструировал прибор, горевший почти 40 часов – максимально возможный срок для того времени. Кроме этого, изобретатель добился удешевления производства, чтобы лампочку мог позволить себе каждый человек.
В вопросе первенства изобретения лампы нет однозначного ответа. Множество ученых в разных странах трудились над ней, но далеко не все патентовали свои открытия. Электрическую лампочку однозначно можно назвать коллективным детищем мирового научного сообщества.
История электрической лампочки: этапы открытия.
Рассмотрим историю создания осветительного прибора подробнее. Привычная лампа – это один из простых электротехнических приборов. Электротехника оформилась в отдельную науку почти сразу после открытия электричества во второй половине XVIII века. Историю лампочки стоит начать с изобретения химического источника тока – первого гальванического элемента. Его сконструировал итальянский ученый Алессандро Вольта в 1800 году. Почти сразу Санкт-Петербургская Академия закупила для опытов целую электрическую батарею, состоявшую из 420 пар гальванических элементов. Профессор Василий Петров несколько лет проводил с ней эксперименты. В результате в 1808 году он открыл электрическую дугу: разряд, возникающий между стержнями-электродами, разведенными на определенное расстояние. Петров предположил, что это свечение можно использовать для освещения. К такому же выводу через два года пришел английский ученый Гэмфри Деви. Электроды использовались, как металлические, так и угольные. Последние светили ярче, но быстро сгорали. Также необходимо было постоянно сдвигать электроды для поддержания необходимого расстояния. Ученым не удалось создать осветительный прибор, но их труды послужили основой для дальнейших исследований.
В 1838 году бельгийскому ученому Жобару удалось создать работающий прототип лампы с угольными электродами. Но они быстро сгорали, так как свечение проходило в воздушной среде.
В 1840 году член Петербургский Академии наук Уоррен Деларю (англичанин по происхождению) сконструировал лампу с платиновой спиралью. Устройство работало довольно продолжительное время и успешно освещало помещение, но из-за дороговизны материалов дальше опытного образца производство не пошло.
В 1841 году ирландский ученый Фредерик де Моллейн получил первый на осветительный прибор. Устройство состояло из платиновой спирали, помещенной в вакуум.
В 1844 году американский патент получает Джон Старр . Его лампа работала на основе углеродной нити. В связи со смертью ученого исследования прекратились.
<>Спустя еще десять лет в 1854 году ученый из Германии Генрих Гебель разработал первый прототип современной лампы: в качестве электродов использовались обугленные палочки бамбука, помещенный в колбу с откачанным воздухом. Ученому удалось создать прибор, которым он освещал собственный магазин. К сожалению, Гебель не смог получить патент на свое устройство.
В 1860 году физик-англичанин Джозеф Уилсон Суон представил свой вариант осветительного прибора. Его патентованная лампа работала в вакууме с угольным волокном. Из-за сложностей поддержания нужного разрежения технология не получила дальнейшего распространения.
Наконец, в 1874 году российский инженер Александр Лодыгин изобретает и получает патент на нитевую лампу. В качестве элемента накаливания он выбирает угольный стержень. Нить накала помещалась в герметичный стеклянный сосуд с откачанным воздухом. Такое решение сразу повысило срок службы лампы до 30 минут и позволило использовать ее вне лабораторных стен. Через год ученый Василий Федорович Дидрихсон внес важные улучшения в конструкцию Лодыгина: поместил несколько нитей накаливания в одно устройство. При перегорании одного угольного стержня следующий начинал работать автоматически.
Электротехник Павел Яблочков в 1875-1876 годах совершил открытие, которое привело к изобретению дуговых ламп. Ученый изучал свойства каолина (белой глины) и увидел, что при определенных условиях он светится на открытом воздухе. Конструкция «свечи Яблочкова», как их тогда называли, проста. Она состояла из двух параллельных угольных стержней, покрытых каолином. Стержни стояли на подставке типа подсвечника. Электроды связывала тоненькая угольная перемычка. Она сгорала в момент включения лампы, разогревая каолин, который и светился в дальнейшем. Мировая общественность проявила к изобретению Яблочкова огромный интерес. Практически сразу же его лампы стали применять для освещения улиц Парижа, а потом и других столиц. К сожалению, срок службы «свечи Яблочкова» был невелик, и постепенно их заменили лампы накаливания.
Тем временем Джозеф Уилсон Свон продолжал свои труды и в 1878 году запатентовал новую конструкцию лампы с угольным волокном, помещенным в разреженную кислородную атмосферу.
Американский изобретатель Томас Эдисон не остался в стороне от проблемы создания лампы. Путем изучения мирового опыта и собственных многолетних экспериментов в 1879 году ученый патентует свою лампу. Вначале Эдисон использовал платиновую спираль, но затем вернулся к угольному волокну. И в 1880 году он создает лампу со сроком службы целых 40 часов. Устройство работало в герметичном корпусе с откачанным воздухом . Электроды изготавливались по специальной технологии из обугленных бамбуковых волокон. Лампа светила ярко и не мигала. Однако производство было слишком дорогим. Для удешевления Эдисон заменяет бамбук хлопковыми нитями. Попутно ученый изобретает выключатель, цоколь и патрон для лампочек. Винтовая конструкция последних позволяла быстро и безопасно заменить осветительный прибор.
В конце 80-х годов XIX века Лодыгин эмигрировал в США, где продолжил свои научные труды. В 1890-х годах он придумал использовать тугоплавкие металлы в качестве нити накала для лампочек. В результате экспериментов Лодыгин остановился на нитях из вольфрама и молибдена, закрученных в спираль. Также он проводил эксперименты с газонаполнением ламп. В частности Лодыгиным была изготовлено устройство с угольной нитью в атмосфере азота. В дальнейшем в 1906 году ученый продает идею использования вольфрамовой нити компании Эдисона. Сам Лодыгин сосредоточился на электрохимическом получении тугоплавких металлов. Данный метод отличался высокой стоимостью. Из-за этого вольфрамовые нити применялись редко, пока в 1910 году Уильям Кулидж не удешевляет их производство. С этого момента вольфрамовые спирали вытесняют все другие варианты нитей накаливания.
Годом ранее решилась проблема быстрого испарения нити в вакууме: в 1909 году американский ученый Ирвинг Ленгмюр начал заполнять колбу лампы накаливания инертными газами. Чаще всего использовался аргон. Все это привело к существенному повышению времени работы лампы накаливания.
За прошедшие сто с лишним лет их конструкция принципиально не изменилась: герметичная стеклянная колба, заполненная аргоном и вольфрамовая спираль. Несмотря на появление новых осветительных приборов (светодиодных, люминесцентных и других), лампа накаливания не сдает своих позиций и широко используется во всем мире. Тем приятнее осознавать, что к изобретению столь популярного осветительного прибора приложили руку (и голову) многие российские ученые .
В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью). В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу - обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой. В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно.
11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин 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, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них следующий включался автоматически).
Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни, его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом).
С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна). В 1904 году венгры д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric.
В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.
Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными, точнее тяжёлыми благородными, газами (в частности, аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу.
КПД и долговечность
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла.
Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания увеличивается, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов, при увеличении напряжения на 20 % яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так, понижение напряжения в два раза (при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Так как стоимость потребленной лампой накаливания за время службы электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска.
Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.
Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.
Разновидности ламп
Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):
- вакуумные (самые простые);
- аргоновые (азот-аргоновые);
- криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых);
- ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых);
- галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл);
- галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счет лучшего нагрева внутренней колбы);
- ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых);
- ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей);
- накаливания с покрытием, преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.
Над источником искусственного света трудилось большое число ученых на протяжении нескольких десятилетий 19 века. Их усилия увенчались успехом, а разработки служат человечеству до сих пор. История создания лампочки не однозначна. Некоторые считают ее изобретением Лодыгина, другие – изобретением Эдисона. Эти два исследователя оставили значительный след в мире электротехники, но были лишь одними из многих изобретателей, занимавшихся опытами с электроосвещением.
Угольные монстры
Дуговые угольные лампы создавались различными специалистами с начала 50-х годов XIX века. Изначально их использовали в прожекторах на кораблях и маяках, а также, в виде экспериментов, в уличном освещении. Из-за большого износа и малой долговечности угольных стержней, а также необходимости в большом количестве подводимого электричества, в настоящее время они не применяются. Тогда, на заре электрической эры, их создавали как замену масляным, керосиновым и газовым светильникам.
Все приборы на основе горения имели более низкий ресурс и представляли собой пожароопасный прибор с низким коэффициентом полезного действия. Все прожекторы на основе керосиновых ламп давали весьма слабый свет на очень небольшом расстоянии от источника. На их фоне даже примитивные угольные лампы казались настоящим чудом, а их создатели – колдунами и шаманами.
Лампы накаливания: начало пути
Историкам известно, первым создать лампу удалось англичанину Деларю еще в 1809 году. Она имела платиновую спираль и стоила баснословных денег, что мешало практическому применению открытия. Многими учеными независимо друг от друга велись опыты по усовершенствованию прибора. В 1838 году бельгиец Жобар удешевил конструкцию лампы, применив как нить накала не дорогую платину, а дешевый уголь. Однако такое устройство было ненадежным и недолговечным, так как в атмосфере нить в колбе мгновенно перегорала.
Проводя опыты с усовершенствованием угольной лампы, немецкий изобретатель Генрих Гебель смог откачать часть воздуха из колбы лампы, создав первую вакуумную лампу, в которой нить горела значительно дольше. Однако угольный проводник являлся ненадежным источником свечения, и многие ученые сосредоточили усилия на его усовершенствовании.
В начале 1870-х годов русский ученый Александр Николаевич Лодыгин изобрел электрическую лампочку с вольфрамовой нитью накала. Он начинал, как и все, с опытов над угольными нитями, но со временем пришел к использованию вольфрама.
Опыты Лодыгина
Лодыгину удалось частично откачать воздух из колб своих ламп, что позволило существенно повысить их срок службы. Чуть позднее гениальный русский ученый предложил заполнять баллоны инертными газами, что делало их еще более эффективными и долговечными.
За свое практическое открытие Лодыгину была вручена престижная Ломоносовская премия Петербургской академии наук.
Чтобы защитить права на свое изобретение, он запатентовал его в Российской, Австро-Венгерской, Британской империях, Португалии, Франции, Италии, Бельгии, Швеции.
Александр Николаевич никогда не был альтруистом и понимал, что производство ламп сулит большую прибыль, поэтому организовал компанию «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°». Однако уже в 1906 году он продал свой патент на вольфрамовую лампу накаливания американской компании General Electric. В то время вольфрам был крайне редким и дорогим материалом, поэтому повсеместного распространения лампы Лодыгина не получили.
Наследие русского гения
Только с 1910 года, когда Вильям Дэвид Кулидж изобретает сравнительно дешевый способ получения вольфрама в промышленном производстве, вольфрамовые лампы Лодыгина снова становятся актуальными. Они оказались более долговечными и практичными, обладая более высоким КПД, в сравнении с угольными изделиями.
Александр Николаевич Лодыгин тем временем долго путешествовал по Западу, знакомился с техническими новинками. По возвращению в Россию, работая в строительном управлении Петербургской железной дороги, он пытался внедрять заграничные изобретения. Преподавание в Электротехническом институте позволило ему распространять полученные знания. Ученый задумал электрифицировать всю Россию, однако Первая мировая война и последовавшая за ней революция не дали воплотится в жизнь его начинаниям. После прихода к власти большевиков Лодыгин эмигрировал в США, однако за границей его идеи также не нашли отклика. В 1923 году он скоропостижно скончался в Нью-Йорке.
Тем временем лампу накаливания активно внедряет в быт американец Томас Эдисон. Он же получает лавры «единственного изобретателя» и «электрического гения» в США.
Осветительные приборы Эдисона
На вопрос, кто изобрел лампочку, каждый американец даст однозначный ответ: Томас Алва Эдисон.
После посещения своего друга Вильяма Валаса в 1878 году Томас Эдисон начинает работы над электрическими лампами накаливания (ему подарили динамо-машину и несколько дуговых ламп).
Эдисон потратил целый год на усовершенствование лампы, установил решающее значение вакуума в колбе. Он не придумал ничего революционного, но смог снизить себестоимость лампы и сделать ее поистине массовым товаром. Уже в конце 1883 года его компания выпускала ¾ ламп накаливания в США. Начав с себестоимости в 110 центов за лампу, Эдисон смог снизить этот показатель в 5 раз . И, хотя американец провел тысячи опытов с разными материалами, будущее было за вольфрамом.
К заслугам Эдисона в сфере освещения стоит отнести разработку формы стеклянной колбы для лампы, которая без изменений сохранилась и по сей день. Также он создал винтовой цоколь с патроном, вилку с розеткой и предохранители. Изобретатель не имел специального образования и не верил в теоретические знания и научные методы, однако в продвижении электрического освещения создал и сделал больше, чем все ученые XIX века.
Опровержения и факты
Некоторые газетчики и недобросовестные ученые подменяют исторические факты, ссылаясь на художественную или рекламную литературу из прошлого. Так, бытуют легенды, что Томас Эдисон никогда никаких изобретений сам не делал, а только воровал чужие идеи. Изобретенная им резьба и сам патрон для ламп освещения будто бы придумал не он, а его сотрудник Стерижер. Некоторые говорят и о том, что даже вилка с розеткой – не его заслуга.
Недобрая слава за Эдисоном закрепилась ввиду его чрезмерного увлечения патентами и прибылью от изобретений. Известен его конфликт с молодым инженером из Сербии Николой Тесла. Судился Эдисон и с братьями Люмьер за право на киноаппарат. Это при том, что великий американец не имел ни высшего, ни специального технического образования.
Однако заслуга Эдисона в продвижении различных технических средств велика. Он жил в довольно консервативном XIX веке и, тем не менее, смог внедрить электричество для освещения улиц и домов, снизил его себестоимость, смог наладить производство дешевых и сравнительно долговечных ламп. Его декоративные лампы мы видим в ресторанах до сих пор.
Несмотря на устаревание ламп накаливания, их дальние родственники, вакуумные радиолампы, все еще используются в звуковоспроизводящей аппаратуре. Лампы накаливания для освещения применяются только в быту (с малым потреблением энергии), в других сферах они активно заменяются более экономичными моделями.
Хотя изобретатель лампочки даже не предполагал такого массового использования прибора искусственного освещения, своим открытием он полностью изменил мир. Лампы накаливания отправились и в далекий космос, и в самые глубокие места мирового океана.
Лампы накаливания в мире производятся все меньше, в развитых странах их заменяют как на производствах, так и в быту. Однако, благодаря их повсеместной популярности на протяжении более века, они всё ещё остаются востребованными.
В последние годы в магазинах осветительных приборов можно купить винтажные модели ламп накаливания Эдисона. Они имеют внешний вид в стиле ретро и могут стать отличными элементами декора как в жилом доме, так и общественном месте (ресторане, кафе), стать стильным дополнением оригинального интерьера. Некоторые из моделей не имеют даже нитей накаливания, а в корпус от обычной лампы вставлены светодиоды.
Всем привет, дорогие любители интересных фактов. Я думаю, что никто из нас уже не представляет свою жизнь без света. Поэтому сегодня мы с вами узнаем, кто первым в мире изобрел лампочку, напоминавшую современную, а также что и кто этому способствовали.
Изобретением лампочки накаливания, как и всеми другими, занималось много людей в разных странах. Первым продемонстрировал свое детище англичанин Гемфри Дэви еще в 1806 году. Это было довольно примитивное изобретение. Дэви создал освещение с помощью электрических искорок между парой угольных стержней. Так называемая дуговая свеча была непригодна для практического широкого использования. Устройство само по себе не нашло поддержки, но идея создания, после этой демонстрации, будоражила «светлые» головы многих изобретателей.
Шли годы…
Над рождением лампочки, подхватив идею Дэви, трудились десятки людей:
Год 1840 – англичанин Деларю;
Год 1854 – немец Генрих Гёбель;
Год 1860 год, английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон показал свою работу;
Год 1872—1873 – Александр Лодыгин;
Год 1875 – В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал работу Лодыгина;
Год 1875-1876 – русский электротехник Павел Николаевич Яблочков, работал над «электрической свечой»;
Томас Эдисон в 1879 году довел до конца то, что не смогли сделать его предшественники.
Русский инженер, и его изобретение
Много людей в разных странах создавали свои творения. Многих преследовала неудача. А вот лампа Александра Лодыгина смогла выдержать все испытания. Она светила целых тридцать минут! Это уже было невиданное достижение. На улицах Петербурга засияли аж две штуки этих «чудо-свечей»! На них специально приезжали посмотреть сотни людей. Это был настоящий фурор, но… Не все было так просто. Широкого распространения своего творения Лодыгин, в силу сложившихся обстоятельств, добиться не смог.
Русскому инженеру не удалось довести до конца свое начатое дело, а вот Томасу Эдисону это удалось. Американский ученый узнал об опытах русского коллеги. Он решил усовершенствовать уже имеющееся изобретение. Его труд заслуживает уважения – ученый провёл 1500 опытов, испытывая различные материалы. Но это еще был не конец — 6000 опытов с угольными нитями – это тот вклад, который вложил изобретатель в историю появления лампочки.
Так ли однозначно ли изобретение?
Без идей всех предшественников и изобретения Александра Николаевича, наверное, у Томаса Эдисона ничего бы не получилось. Этот факт очевиден, но недоказуемый. Кропотливый настойчивый труд американца дал человечеству нить, которая горела сотни часов, не перегорая. А еще он смог организовать выпуск лампочек на первом специализированном заводе, они расходились по всем странам мира, заменяя традиционные свечи. Так возникла компания Edison Electrical Light Company.
Никто не смеет утверждать однозначно, что Томас Эдисон изобрел лампочку, но и опровергнуть это тоже никому пока не удалось. Лампа накаливания была придумана до него. Однако он создал первую практическую модель вместе с электрической системой, что является его неоспоримым достижением. Ну вот теперь и вы знаете, кто первым в мире изобрел лампочку, без которой сегодняшняя жизнь уже просто не представляется.
