Электрическая лампа накаливания¶

Лампа накаливания — искусственный источник света, в котором излучение возникает в результате нагрева электрическим током тугоплавкого проводника (нити накала) до высокой температуры. Является первым в истории типом электрической лампы, получившим массовое распространение. Несмотря на низкую энергоэффективность, лампы накаливания до сих пор используются в быту, промышленности и специальных областях благодаря простоте конструкции, дешевизне и качественной цветопередаче.

¶Принцип действия и устройство

Работа лампы основана на тепловом действии электрического тока. При прохождении тока через проводник с большим сопротивлением он нагревается. В лампах накаливания температура нити достигает 2200–2900 °C (для стандартных вакуумных и газонаполненных ламп). При такой температуре тело начинает излучать в видимой части спектра, однако лишь 2–5 % потребляемой энергии преобразуется в свет, остальная часть теряется в виде тепла.

Основные элементы конструкции:

• Колба — герметичная стеклянная оболочка, защищающая нить от воздействия кислорода. Изготавливается из силикатного или кварцевого стекла.
• Нить накала — спираль из вольфрама (температура плавления 3422 °C). Для увеличения длины и уменьшения теплопотерь нить скручивают в спираль (биспираль, триспираль).
• Цоколь — металлическая часть для крепления в патроне и подвода тока. Наиболее распространены резьбовые цоколи Эдисона (E27, E14, E40) и штифтовые (B22d).
• Электроды и держатели — молибденовые и никелевые проволоки, поддерживающие спираль.
• Газ-наполнитель — инертный газ (аргон, криптон, ксенон) или азот, замедляющий испарение вольфрама с поверхности нити.

¶История

История лампы накаливания связана с именами многих изобретателей. В 1802 году русский физик Василий Петров продемонстрировал электрическую дугу. В 1840-х годах английский изобретатель Уоррен де ла Рю испытал лампу с платиновой нитью, но высокая стоимость металла помешала коммерческому использованию.

Важным этапом стали работы Александра Лодыгина, который в 1872–1874 годах в Санкт-Петербурге создал лампу с угольным стержнем в стеклянном баллоне. Лодыгин получил привилегию на своё изобретение в 1874 году и позже одним из первых предложил использовать вольфрамовую нить.

Параллельно в США Томас Эдисон в 1879 году создал практичную лампу с угольной нитью, обеспечив ей высокий вакуум, долговечность (около 1200 часов) и наладив систему централизованного электроснабжения. Именно Эдисону принадлежит заслуга превращения лабораторного устройства в массовый коммерческий продукт. В 1890-х годах Лодыгин и другие инженеры (в частности, Вильгельм Больцман) разработали вольфрамовые нити, которые пришли на смену угольным после 1904–1909 годов. В 1913 году Ирвинг Ленгмюр предложил заполнять колбы инертным газом, что позволило повысить температуру накала и срок службы.

¶Классификация и виды

Лампы накаливания классифицируют по нескольким признакам:

По назначению:

• общего назначения (бытовые);
• декоративные (с фигурными колбами, цветным стеклом);
• осветительные для специальных целей (кино, фото, медицина);
• сигнальные и индикаторные;
• транспортные (автомобильные, авиационные, железнодорожные);
• оптические (для проекторов, микроскопов).

По конструкции колбы и наполнению:

• вакуумные (самые ранние, применяются при малых мощностях);
• газонаполненные (аргоновые, криптоновые, ксеноновые);
• галогенные (с добавлением паров йода или брома — см. ниже);
• зеркальные (с отражающим покрытием внутри колбы).

По типу цоколя — резьбовые, штифтовые, софитные, фокусирующие.

¶Характеристики

Ключевые параметры лампы накаливания — мощность (Вт), световой поток (лм), световая отдача (лм/Вт), срок службы (ч), цветовая температура (К).

Световая отдача стандартных ламп составляет 8–15 лм/Вт, что в 3–5 раз ниже, чем у компактных люминесцентных, и в 6–10 раз ниже, чем у светодиодных ламп. Типичный срок службы — 1000 часов (при номинальном напряжении). Реальный срок сильно зависит от напряжения: повышение на 5 % сокращает ресурс вдвое, но увеличивает световой поток на 15–20 %.

Цветовая температура лампы накаливания — около 2700–2800 К (тёплый белый свет). Индекс цветопередачи (CRI) близок к 100, что делает лампы эталоном для оценки качества других источников света.

¶Достоинства и недостатки

Преимущества ламп накаливания:

• низкая стоимость производства;
• мгновенное включение на полную яркость;
• нечувствительность к низким температурам окружающей среды;
• отсутствие пульсации света и электромагнитных помех;
• приятный тёплый спектр, естественная цветопередача;
• не содержат ртути и других токсичных веществ;
• устойчивость к перепадам напряжения (в определённых пределах).

Недостатки:

• крайне низкая энергоэффективность (до 95 % энергии уходит в тепло);
• малый срок службы по сравнению с газоразрядными и светодиодными лампами;
• хрупкость (стеклянная колба и тонкая спираль);
• сильный нагрев поверхности (до 200–300 °C);
• зависимость светового потока от напряжения сети;
• пожароопасность при использовании с горючими материалами.

¶Галогенные лампы

Галогенная лампа — разновидность лампы накаливания, в колбу которой добавлены пары галогенов (йод, бром). Это запускает вольфрамо-галогенный цикл: испарившийся с нити вольфрам соединяется с галогеном и при высокой температуре вновь осаждается на нить. Благодаря этому нить служит дольше, а колбу можно нагревать до 300–600 °C, что позволяет делать её компактной из кварцевого стекла. Галогенные лампы имеют световую отдачу до 25 лм/Вт и срок службы 2000–4000 часов. Они широко применяются в автомобильных фарах, прожекторах, фото- и киноосвещении.

¶Применение

Несмотря на распространение светодиодов, лампы накаливания остаются востребованными:

• в бытовых светильниках, где важна дешевизна и тёплый свет;
• в духовках и холодильниках (термостойкие варианты);
• в качестве источника тепла в инкубаторах, террариумах, обогревателях;
• в сигнальных устройствах и фарах старой техники;
• в лабораторных и измерительных приборах как эталонный источник света;
• в декоративном освещении (лампы «эдисон» с видимой нитью).

¶Регулирование и запреты

В связи с низкой энергоэффективностью с конца 2000-х годов во многих странах введены ограничения на производство и продажу ламп накаливания. В России с 2011 года запрещён оборот ламп мощностью 100 Вт и выше, а с 2014 года — 75 Вт и выше для бытового использования. Аналогичные меры приняты в странах Евросоюза, США, Австралии и других. Эти ограничения стимулировали переход на компактные люминесцентные и светодиодные лампы. Тем не менее лампы накаливания специального назначения (автомобильные, оптические, индикаторные) не попадают под запреты.

¶Источники

• Бугров В. Е. «Светотехника и источники света».
• Шубов И. Г. «Источники света».
• Кнорринг Г. М. «Осветительные установки».
• Справочник по светотехнике под ред. Ю. Б. Айзенберга.
• Материалы Музея истории развития электрического освещения (Санкт-Петербург).