Надо Знать

добавить знаний



Лампа накаливания



План:


Введение

Лампа накаливания. 220 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, Высота примерно 110 мм

Лампа накаливания (лампы накаливания) - лампа, в которой свет выпускается тугоплавким проводником, раскаленным электрическим током [1].


1. Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накаливания резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение согласно закона Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн ( закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более ?красным? кажется излучение. Часть потребленной электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть - на выделение тепла. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально ?белого? света необходимо повышать температуру нити накаливания, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления. Идеальная температура 6000 K недостижима, поскольку при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестает проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 ? C) и, очень редко, осмий (3045 ? C).

При практически достижимых температурах 2300-2900 ? C излучается далеко не белый и не дневной свет. Лампы накаливания испускают свет, который кажется более ?желто-красным?, чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т.н. цветовая температура. В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались из вакуумированных колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу осадком. Позже колбу стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.

Доля электрической энергии, превращается в свет, тем больше, чем выше температура накаливания спирали лампы. Есть две причины, которые заваджають повышать температуру:

  • испарения вольфрама, в результате которого чернеет стеклянный баллон и истончается нить накаливания;
  • ползучесть нити под действием силы тяжести, магнитных и электростатических сил.

Чтобы уменьшить испарение вольфрама в баллон добавляют композиционный газ (например аргон с примесью галогена йода). Пара йода реагирует с паром вольфрама и конденсатом вольфрама. Соединение попадает на раскаленную спираль, разлагается. Вольфрам оседает на проволоку, восстанавливая его диаметр до исходной величины и снова начинается действие йода.

Чтобы уменьшить ползучесть нити, к вольфрама вводят частицы двуокиси тория. Они блокируют движение дислокаций по плоскостям скольжения, а также затрудняют распространение микротрещин. Поэтому спираль становится менее хрупким. Долговечность лампы возрастает в 2-3 раза, теплоотдача - на 20-30%. Экономия в пределах Украины - 50-100млн.грн ..


2. Конструкция

Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накаливания, предохранителя и стеклянной колбы, которая защищает нить накаливания от окружающей среды.

Incandescent light bulb.svg
  1. Стеклянная колба
  2. Инертный газ
  3. Нить накаливания
  4. Контактный провод (зьедуеться с ножкой)
  5. Контактный провод (соединяется с цоколем)
  6. Держатели
  7. Стеклянная ножка (лопатка)
  8. Вывод контакта на цоколь
  9. Цоколь лампы
  10. Изоляционный материал
  11. Контактный носик

2.1. Колба

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности нужны колбы большего размера, для того, чтобы материал нити, оседает, распределялся на большую площадь и не делал сильного влияния на прозрачность.

2.2. Инертный газ

Колбы первой лампы были вакуумированы. Современные лампы заполняются инертным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити, возникающие при этом. Потери тепла за счет теплопроводности уменьшают путем выбора газа в состав которого входят молекулы с большими значениями молекулярной массы. Смесь азота с аргоном является принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Дороже лампы содержат криптон или ксенон ( атомные массы : азот : 28,0134 г / моль; аргон : 39,948 г / моль; криптон : 83,798 г / моль; ксенон : 131,293 г / моль).


2.3. Нить накаливания

Двойная спираль Лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и Поддерживатели нити

Нить накаливания в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 ? C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали с осмиевая-вольфрамового сплава. Проволока часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счет уменьшения ленгмюривського слоя. Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по законом Ома ( I = U / R ) И Мощность по формуле P = U \ cdot I , Или P = U ^ 2 / R . При мощности 60 Вт и рабочей напряжении 220 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т.ч. сопротивление нити накала должен составлять 882 Ом. Для достижения такого сопротивления необходим использовать длинный и тонкий провод, так металлы характеризуются малыми значениями удельного сопротивления. Толщина проволоки в обычных лампочках составляет 40-50 микрон. При комнатной температуре сопротивление нити накала гораздо меньше рабочего сопротивления. Поэтому, непосредственно при включении, протекает электрический ток, что в два-три раза больше рабочего тока. По мере нагревания нити ее сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение понемногу нарастало. В мигающих лампочках последовательно с нитью накаливания встраивается биметаллический переключатель. За счет этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.

Учитывая высокую рабочую температуру лампм накаливания, в холодном состоянии сопротивление нити накаливания заметно ниже рабочего.
Примерный сопротивление нити накаливания ламп накаливания на 220/230В с цоколем E27:
Вт Ом
25 136
40 102
60 65
100 37


2.4. Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее поширнеи цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы.

Сравнение освещенности по мощности
(120-вольтовых ламп)
Мощность
( Вт)
Световой поток
( лм)
Эффективность
(Lm / W)
15 110 7.3
25 200 8.0
35 350 10.3
40 500 12.5
50 700 13.5
55 800 14.2
60 850 14.5
65 1000 15.0
70 1100 15.7
75 1200 16.0
90 1450 16.1
95 1600 16.8
100 1700 17.0
135 2350 17.4
150 2850 19.0
200 3900 19.5
300 6200 20.7

2.5. Предохранитель

Перегорание лампы происходит во время ее работы, т.е. в то время, когда одновременно нить накаливания нагретая и через нить протекает электрический ток. Если в это время происходит разрыв нити, то между разведенными концами нити обычно загорается электрическая дуга. В быту это можно заметить по яркой синевато-белой вспышки в момент перегорания лампы. Поскольку нить, как правило, является относительно тонкой проволокой, изогнутым в спираль, то электрическое сопротивление в нити может быть большим, чем сопротивление йонизованого газа в дуге. Поэтому концы дуги начинают расходиться от места разрыва нити, а сила тока в цепи возрастает.

При дальнейшем развитии этого процесса дуга может загореться уже между держателями нити, сопротивление которых относительно мал, в результате сила тока в цепи, питаемой, может намного превысить допустимые пределы, что приведет либо к срабатыванию предохранителей в цепи, автоматического выключателя или до расплавления проводов и, возможно, спровоцирует пожар.

Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель. Он является частью тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток в 6 А.

По статистике большинство ламп накаливания выходят из строя при включении результате броска тока. Уменьшения напряжения питания ламп на 10% (например, с помощью димера или автотрансформаторов) увеличивает срок их эксплуатации в 10 раз. Рекомендуется использовать системы плавного старта, постепенно увеличивают напряжение на лампе при запуске.


Примечания

  1. Большой толковый словарь современного украинского языка. Киев, 2005

Литература

  • A. Zukauskas, MS Shur and R. Caska, Introduction to solid-state ligthing, John Willey & Sohn, 2002
  • K. Bando, Symp. Proc. Of the 8th Int. Symp. on the Sci. & Tech. of Ligth Sources 1998, 80

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам