Принцип работы лампы накаливания и конструкция лампы накаливания

Электрический источник света, работающий на принципе накаливания, называется лампой накаливания. Другими словами, лампа, работающая за счет свечения нити накала, вызванного электрическим током, проходящим через нее, называется лампой накаливания.

Как работают лампы накаливания?

Когда объект нагревается, атомы внутри объекта становятся термически возбужденными. Если объект не плавится, внешние электроны атомов атомов переходят на более высокие энергетические уровни благодаря поступающей энергии. Электроны на этих более высоких энергетических уровнях нестабильны, и они снова падают на более низкие энергетические уровни. При переходе с более высоких на более низкие энергетические уровни электроны излучают свою дополнительную энергию в виде фотонов. Эти фотоны затем излучаются с поверхности объекта в виде электромагнитного излучения.

Это излучение будет иметь различные длины волн. Часть длин волн находится в видимом диапазоне, а значительная часть — в инфракрасном диапазоне. Электромагнитная волна с длинами волн в диапазоне инфракрасного излучения является тепловой энергией, а электромагнитная волна с длинами волн в видимом диапазоне — световой энергией.

Накаливание означает производство видимого света путем нагрева объекта. Лампа накаливания работает на том же принципе. Самая простая форма искусственного источника света, использующего электричество, — это лампа накаливания. Здесь мы используем электрический ток, чтобы пропустить его через тонкую и тонкую нить накала, чтобы произвести видимый свет. Ток повышает температуру нити до такой степени, что она становится светящейся.

История лампы накаливания

Обычно считается, что Томас Эдисон был изобретателем лампы накаливания, но фактическая история была не такой. Было много ученых, которые работали и разрабатывали прототипы ламп накаливания до Эдисона. Один из них — британский физик Джозеф Уилсон Свэн. По записям, он получил первый патент на лампу накаливания. Позже Эдисон и Свэн объединились для производства ламп накаливания в коммерческих масштабах.

Конструкция лампы накаливания

Нить накала прикреплена к двум проводникам. Один проводник подключен к контактной площадке, а другой завершается на металлической базе лампы. Оба проводника проходят через стеклянную опору, установленную в нижней средней части колбы. Две поддерживающие проволоки, также прикрепленные к стеклянной опоре, используются для поддержки нити накала в ее средней части. Контактная площадка изолирована от металлической базы с помощью изоляционных материалов. Вся система заключена в цветное или покрытое фосфором или прозрачное стеклянное колба. Колба может быть заполнена инертными газами или находиться под вакуумом, в зависимости от мощности лампы накаливания.

Нить накала лампы накаливания герметично эвакуирована со стеклянной колбой подходящей формы и размера. Эта стеклянная колба используется для изоляции нити от окружающего воздуха, чтобы предотвратить окисление нити и минимизировать конвекционный поток вокруг нити, чтобы поддерживать высокую температуру нити.

Стеклянная колба либо находится под вакуумом, либо заполнена инертными газами, такими как аргон, с небольшим процентом азота при низком давлении. Инертные газы используются для минимизации испарения нити во время службы ламп. Однако из-за конвекционного потока инертного газа внутри колбы существует большая вероятность потери тепла нити во время работы.

Снова, вакуум является отличным теплоизолятором, но он ускоряет испарение нити во время работы. В случае газонаполненных ламп накаливания используется смесь 85% аргона и 15% азота. Иногда можно использовать криптон, чтобы снизить испарение нити, поскольку молекулярный вес криптона значительно выше.

Однако это дороже. Газы заполняются в колбу при давлении около 80% атмосферного. Газ заполняется в колбе с мощностью более 40 Вт. Для ламп мощностью менее 40 Вт газ не используется.

Различные части лампы накаливания показаны ниже.

Нить накала лампы накаливания

В настоящее время лампы накаливания доступны в различных номинальных мощностях, таких как 25, 40, 60, 75, 100 и 200 Вт и т.д. Есть различные формы колб, но в основном все они имеют округлую форму. В основном используются три материала для изготовления нити накала ламп накаливания, это углерод, тантал и вольфрам. Раньше использовался углерод, но сейчас чаще всего используется вольфрам.

Точка плавления углеродной нити составляет около 3500оC, а рабочая температура этой нити составляет около 1800оC, поэтому шанс испарения довольно мал. Поэтому лампы накаливания с углеродной нитью не темнеют из-за испарения нити. Темнение нити происходит, когда молекулы материала нити оседают на внутренней стенке стеклянной колбы из-за испарения нити во время работы.

Это темнение становится заметным после длительного срока службы лампы. Эффективность лампы с углеродной нитью невысока, она составляет около 4,5 люмен на ватт. Тантал использовался как материал для нити, но его эффективность гораздо ниже, она составляет около 2 люмен на ватт. Поэтому тантал очень редко используется как элемент нити.

Наиболее широко используемым материалом для нити в настоящее время является вольфрам из-за его высокой световой эффективности. Он может давать 18 люмен на ватт при работе на 2000оC. Эта эффективность может достигать 30 люмен на ватт при работе на 2500оC. Высокая точка плавления является важным критерием для материала нити, так как ему нужно работать при очень высокой температуре без испарения.

Хотя точка плавления вольфрама немного ниже, чем у углерода, вольфрам все же предпочтительнее как материал для нити. Это связано с высокой рабочей температурой, которая делает вольфрам более светоэффективным. Механическая прочность вольфрамовой нити достаточно высока, чтобы выдерживать механические вибрации.

Срок службы ламп накаливания

Какова бы ни была технология производства, каждый тип ламп накаливания имеет некоторый приблизительный срок службы. Это связано с явлением испарения нити, которое можно минимизировать, но полностью избежать невозможно.

Из-за испарения нити стеклянная колба темнеет со временем. Из-за испарения нити она становится тоньше, что делает нить менее светоэффективной, и в конце концов нить ломается. Поскольку лампы накаливания подключены напрямую к сети питания, колебания напряжения в сети влияют на работу лампы.

Выявлено, что световая эффективность лампы накаливания прямо пропорциональна квадрату напряжения питания, но в то же время срок службы лампы обратно пропорционален 13-й до 14-й степени напряжения питания. Основные преимущества ламп накаливания заключаются в том, что они достаточно дешевы и отлично подходят для освещения небольших площадей. Однако эти лампы не являются энергоэффективными, и около 90% входной электрической энергии теряется в виде тепла.

Доступность ламп накаливания на рынке

На рынке доступны различные привлекательные формы и размеры ламп. Лампы PS30 имеют грушевидную форму, лампа T12 — трубчатая с диаметром 1,5 дюйма, лампа R40 — с отражательной колбой с диаметром 5 дюймов. В зависимости от доступной мощности лампы обычно представлены на рынке с мощностью 25, 40, 60, 75, 100, 150 и 200 Вт и т.д. Мы можем следовать таблице ниже, чтобы получить важные данные о лампе накаливания.