Принцип роботи лампи накалу та будова лампи накалу

Електричне джерело світла, яке працює на основі інкандесцентного явища, називається Інкандесцентною лампою. Іншими словами, лампа, яка працює завдяки зігріванню ниті, спричиненому електричним струмом, що проходить через неї, називається інкандесцентною лампою.

Як працюють інкандесцентні лампи?

Коли об'єкт нагрівається, атоми всередині об'єкта стають термічно вбудоженими. Якщо об'єкт не плавиться, зовнішні електрони атомів атомів переходять на більш високий енергетичний рівень завдяки наданій енергії. Електрони на цих високих енергетичних рівнях нестабільні, тому вони знову повертаються на нижчі енергетичні рівні. Падаючи з висших на нижчі енергетичні рівні, електрони виділяють свою надлишкову енергію у вигляді фотонів. Ці фотони потім випромінюються з поверхні об'єкта у вигляді електромагнітного випромінення.

Це випромінення матиме різні довжини хвилі. Частина цих довжин хвилі знаходиться в видимому діапазоні, а значна частина довжин хвилі знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Електромагнітна хвиля з довжиною хвилі в діапазоні інфрачервоної частоти є тепловою енергією, а електромагнітна хвиля з довжиною хвилі в видимому діапазоні є світловим випроміненням.

Інкандесцентне означає виділення видимого світла шляхом нагрівання об'єкта. Інкандесцентна лампа працює за тим же принципом. Найпростішим типом штучного джерела світла, що використовує електрику, є інкандесцентна лампа. Тут ми використовуємо електричний струм, щоб пройти через тонку і тонку нитку для виділення видимого світла. Струм підвищує температуру нитки до такої міри, що вона стає світлоносною.

Історія інкандесцентної лампи

Зазвичай вважається, що Томас Едісон був винахідником інкандесцентної лампи, але справжня історія була іншою. Було багато вчених, які працювали і розробили прототипи інкандесцентних ламп до того, як це зробив Едісон. Одним з них був британський фізик Джозеф Вілсон Свон. Згідно з записами, він отримав перший патент на інкандесцентну лампу. Пізніше Едісон і Свон об'єдналися для виробництва інкандесцентних ламп у комерційних масштабах.

Конструкція інкандесцентної лампи

Нитка прикріплена до двох провідних дротів. Один провідний дріт з'єднаний з контактною площадкою, а інший закінчується на металевій базі лампи. Обидва провідні дроти проходять через скляну опору, розташовану посередині нижньої частини колби. Два опорних дроти, також прикріплені до скляної опори, використовуються для підтримки нитки посередині. Контактна площадка ізольована від металевої бази за допомогою ізоляційних матеріалів. Усі система укладена в кольорову або покриту фосфором або прозору скляну колбу. Колба може бути заповнена інертними газами або залишена під вакуумом, залежно від рейтингу інкандесцентної лампи.

Нитка інкандесцентних ламп герметично вакуумована зі скляною колбою відповідної форми і розміру. Ця скляна колба використовується для ізоляції нитки від оточуючого повітря, щоб запобігти окисленню нитки та зменшити конвекційний потік навколо нитки, таким чином підтримуючи високу температуру нитки.

Скляна колба або залишається під вакуумом, або заповнюється інертними газами, такими як аргон, з невеликим відсотком азоту при низькому тиску. Інертні гази використовуються для зменшення випаровування нитки під час експлуатації ламп. Але через конвективний потік інертного газу всередині колби, є більші шанси втратити тепло нитки під час роботи.

Знову ж таки, вакуум є великою теплоізоляцією, але він пришвидшує випаровування нитки під час роботи. У випадку газонаповнених інкандесцентних ламп використовується 85% аргону, змішаного з 15% азоту. Іноді використовується криптон, щоб зменшити випаровування нитки, оскільки молекулярна вага криптону достатньо висока.

Але це коштує дорожче. Приблизно при 80% атмосферного тиску гази наповнюються в колбу. Газ наповнюється в колбу з рейтингом більше 40 Вт. Але для ламп менше 40 Вт газ не використовується.

Різні частини інкандесцентної лампи показані нижче.

Нитка інкандесцентної лампи

На сьогодні інкандесцентні лампи доступні в різних ваттних рейтингах, таких як 25, 40, 60, 75, 100 та 200 ватт тощо. Є різні форми колб, але в основному всі вони округлі. Основні три матеріали, які використовуються для виготовлення нитки інкандесцентних ламп, це вугілля, тантал і вольфрам. Вугілля раніше використовувалося як матеріал для нитки, але зараз найчастіше використовується вольфрам.

Температура плавлення вугілля становить приблизно 3500°C, а робоча температура цієї нитки становить приблизно 1800°C, тому ймовірність випаровування дуже мала. Через це інкандесцентні лампи з вугіллям не темніють через випаровування нитки. Темніння нитки відбувається, коли молекули матеріалу нитки осідають на внутрішній стінці скляної колби через випаровування нитки під час роботи.

Це темніння стає помітним після довгого строку служби лампи. Ефективність вугілляної лампи не добра, вона становить приблизно 4,5 люменів на ватт. Тантал використовувався як матеріал для нитки, але його ефективність набагато гірша, вона становить приблизно 2 люмена на ватт. Тому тантал дуже рідко використовується як елемент нитки.

Найбільш широко використовуваний матеріал для нитки зараз — вольфрам через його високу світлову ефективність. Він може давати 18 люменів на ватт, коли працює при 2000°C. Ця ефективність може досягати 30 люменів на ватт, коли працює при 2500°C. Висока температура плавлення є ключовим критерієм для матеріалу нитки, оскільки він має працювати при дуже високій температурі без випаровування.

Хоча вольфрам має трохи нижчу температуру плавлення, ніж вугілля, але все ж вольфрам є більш придатним як матеріал для нитки. Це через високі робочі температури, які роблять вольфрам набагато ефективнішим. Механічна міцність вольфрамової нитки достатньо висока, щоб витримувати механічні вібрації.

Термін служби інкандесцентних ламп

Незалежно від технології виробництва, кожен тип інкандесцентних ламп має приблизний термін служби. Це через явище випаровування нитки, яке можна зменшити, але не можна повністю уникнути.

Завдяки випаровуванню нитки