История лампы накаливания
Широко считается, что Томас Альва Эдисон изобрел действительно первую лампу накаливания для практического применения, используя углеродную нить накаливания в баллоне, содержащем вакуум. Первое успешное испытание Эдисона произошло в 1879 году.
Были и раньше лампы накаливания, как, например, лампа Генриха Гобеля, сделанная с углеродной нитью накаливания в 1854 году. Эта лампа накаливания имела обугленную бамбуковую нить, и говорилось, что срок ее службы до 400 часов. По крайней мере, некоторые источники считают Гобеля изобретателем лампы накаливания.
Джозеф Вилсон Свон начал пытаться сделать основанные на углероде лампы накаливания в 1850 году и сделал лампу в 1860, которая была работоспособна, но имела короткий срок службы из-за плохого вакуума. Он сделал более успешные лампы накаливания после того, как появились лучшие вакуумные насосы в середине 1870 – х.
С тех пор лампа накаливания улучшилась с использованием тантала, а позднее вольфрамовых нитей, которые испаряются медленнее, чем углерод. В настоящее время лампы накаливания все еще делаются с вольфрамовыми нитями.
Основные принципы
Нить лампы накаливания – это просто резистор. Если применяется электроэнергия, она превращается в тепло в нити накаливания. Температура нити повышается, пока она не отдаст столько тепла, сколько генерируется в нити. Идеально, нить отдает тепло, только излучая его, хотя маленькое количество тепловой энергии также удаляется из нити накаливания тепловой проводимостью. Температура нити очень высокая, в основном свыше 2000 градусов Цельсия или свыше 3600 градусов по фаренгейту. В стандартной лампе на 75 или100 ватт 120 вольт, температура нити приблизительно 2550 градусов Цельсия или приблизительно 4600 градусов по фаренгейту. При таких высоких температурах тепловое излучение от нити включает значительное количество видимого света.
Световая отдача
В стандартной лампе 120 вольт 100 ватт с определенным световым потоком, отдача составляет 17,5 люменов на ватт. Это плохо сравнимо с идеализируемым типом белого света 242,5 люменов на ватт, или с 683 люменов на ватт идеальными для желтовато-зеленой волновой длины света, к которому наиболее чувствителен человеческий глаз. Другие типы световых ламп накаливания имеют разную эффективность, но все в основном имеют эффективность около или ниже 35 люменов на ватт. Большинство ламп накаливания для домашнего пользования имеют эффективность от 8 до 21 люменов на ватт. Более высокая эффективность, около 35 люменов на ватт достигается только с фотографическими и проектными лампами с очень высокими температурами нити и с коротким сроком службы от нескольких часов до приблизительно 40 часов. Причина такой низкой эффективности в том, что вольфрамовые нити излучают в основном инфракрасное излучение при любой температуре, которую они могут выдержать. Идеальный тепловой излучатель производит видимый свет наиболее эффективно при температурах около 6300 градусов Цельсия (6600 градусов кельвина или 11500 градусов по фаренгейту). Даже при такой высокой температуре большое количество излучения является либо инфракрасным или ультрафиолетовым, и теоретическая световая отдача составляет 95 люменов на ватт. Конечно, людям не известно ничего такого твердого и полезного как нить накаливания световой лампы при температуре где-то близкой к этой. Поверхность солнца даже не такая горячая. Существуют другие способы получать термическое излучение используя более высокие температуры и/или вещества, которые излучают лучше на видимых волнах чем на невидимых. Эффективность лампы накаливания может быть повышена повышением температуры нити, которая заставляет ее загораться быстрее.
Сравнительная характеристика вакуумных и газовых ламп
В начале лампы накаливания были сделаны с вакуумом внутри них. Воздух окисляет нить при высоких температурах. Позднее было обнаружено, что заполнение лампы инертным газом, таким как аргон, или смесь аргона с азотом, замедляет испарение нити. Атомы вольфрама, испаряющиеся из нити, могут забить назад в нить атомы газа. Нить может работать при более высокой температуре, когда наполнена газом, а не вакуумом. Это приводит к более эффективному излучению видимого света. Так почему некоторые лампы все еще делаются с вакуумом? Причина в том, что наполненный газ проводит тепло далеко от нити. Это проводимое тепло является энергией, которая не может излучаться нитью, она теряется или тратится впустую. Этот механизм сокращает эффективность производства излучения лампой. Если это не возмещается преимуществом работы нити при более высокой температуре, тогда лампа более эффективна с вакуумом. Одно свойство тепловой проводимости от нити к газу является тем странным фактом, что количество проводимого тепла грубо пропорционально длине нити, но не изменяется сильно из-за диаметра нити. Причина того, почему это происходит не рассматривается в этом документе. Однако это обозначает, что лампы с тонкими нитями и более низким током являются более эффективными с вакуумом, а лампы с более высоким током и с более толстыми нитями являются более эффективными с заполненным газом. Кажется, точка безубыточности составляет грубо около 6 – 10 ватт на сантиметр нити (она может изменяться от температуры нити и других факторов). Точка безубыточности может быть выше в больших лампах, где конвекция может увеличивать удаление тепла газом от нити. Иногда используются идеальные газы, такие как криптон и ксенон. Эти газы имеют большие атомы, которые лучше забивают назад выпарившиеся атомы вольфрама в нить. Эти газы также проводят тепло меньше чем аргон. Из этих двух газов ксенон лучше, но дороже. Каждый из этих газов существенно улучшит жизнь лампы или приведет к некоторым улучшениям ее эффективности или то и другое. Часто стоимость этих газов делает их использование не экономичным.
Как перегорают световые лампы
Из-за высокой температуры, на которой работает вольфрамовая нить, некоторая часть вольфрама испаряется во время использования. Более того, так как световая лампа не является совершенной, нить не испаряется равномерно. Некоторые точки испаряются сильнее и становятся тоньше, чем остальная часть нити. Эти тонкие точки вызывают проблемы. Их электрическое сопротивление больше чем остальные части нити. Так как ток одинаковый во всех частях нити больше тепла генерируется там, где нить тоньше. Тонкие части также имеют меньшую площадь поверхности, с которой излучается тепло. Эта двойная неудача приводит к тому, что тонкие точки имеют более высокую температуру. Из-за того, что тонкие точки жарче они испаряются быстрее. Становиться очевидным, что как только часть нити становиться существенно тоньше, чем остальная ее часть, эта ситуация усложняется при возрастающей скорости пока тонкая часть нити либо не расплавиться либо не станет слабой и не порвется.
Почему лампы часто сгорают, когда вы их включаете?
Некоторые люди интересуются, что происходит, когда вы включаете свет. Часто раздражает, что слабая старая световая лампа не будет перегорать, пока вы ее не включите в следующий раз. Ответ в тех тонких точках на нити. Так как они имеют меньшую массу, чем менее выпарившиеся части нити, они нагреваются быстрее. Часть проблемы заключается в том факте, что вольфрам, как и большинство металлов, имеет меньшее сопротивление, когда он холодный и большее, когда он горячий. Это объясняет резкое увеличение тока, который получают световые лампы, когда их впервые включают. Когда тонкие точки достигли температуры, при которой они действуют, более толстые и более тяжелые части нити не достигли еще своей окончательной температуры. Это обозначает, что сопротивление нити все еще немного низкое и чрезмерный ток все еще течет. Это является причиной того, что более тонкие части нити становятся более горячими, в то время как остальная часть нити все еще нагревается. Это означает, что тонкие точки, которые работают так или иначе слишком горячими становиться еще горячее, в то время как более толстые части нити еще полностью не нагрелись. Вот почему слабые старые лампы не могут выжить при включении.Почему перегорание иногда такое зрелищное?
Когда нить рвется, иногда возникает дуга. Так как ток, текущий через дугу, также течет через нить в это же время, возникает отклонение напряжения через два куска нити. Это отклонение напряжения часто является причиной того, что эта дуга расширяется, пока не пройдет через всю нить. Теперь рассмотрим немного опасную особенность большинства электрических дуг. Если вы увеличите ток, проходящий через дугу, она станет жарче, что увеличит ее проводимость. Очевидно, что это могло бы сделать вещи немного не стабильными, так как дуга с большей проводимостью могла бы притянуть больший ток. Дуга легко становится проводящей так, что притягивает несколько сотен ампер тока. В этой точке дуга часто плавит части нити, на которой находятся концы дуги и дуга светиться очень яркой световой голубой вспышкой. Большинство домашних ламп имеют встроенный плавкий предохранитель, состоящий из тонкой области в одной из внутренних проволок. Сильный ток, притянутый горящей дугой, тушит встроенный предохранитель. Если не из-за этого предохранителя, люди бы часто страдали от перегоревших предохранителей или использовали бы автоматический выключатель при перегорании лампы. Хотя внутренний предохранитель световой лампы обычно защищает предохранители и выключатели бытовых приборов, он может не защитить более деликатную электронику, которая часто имеется в реостатах и в электронных выключательных устройствах от повышения тока, вызванного горящей дугой.
Как плохо повышение тока для лампы, когда она включается?
Хорошо известно, что холодная нить световой лампы имеет меньшее сопротивление, чем горячая. Таким образом, световая лампа вызывает чрезмерный ток пока нить нагревается. Так как нить может притянуть в десять раз больше тока, чем обычно, когда она холодная некоторые люди обеспокоены по поводу чрезмерного потребления энергии при включении световых ламп. Степень этого феномена стала содержанием городского фольклора. Однако, нить нагревается очень быстро. Количество энергии, потребленной, чтобы нагреть холодную нить, меньше, чем она потребит за одну секунду обычной операцией.
Как заставить лампы долго служить?
Долгосрочные лампы:
Много ламп делаются, чтобы работать на немного более низкой температуре нити, чем обычно. Это заставляет лампы служить дольше с незначительным снижением эффективности.
Пониженная энергия:
Понижение напряжения, примененное к световой лампе, снизит температуру нити, что приведет к огромному повышению ее срока службы. Продается одно устройство, чтобы это сделать, это обыкновенный силиконовый диод, встроенный в цоколь, который сделан, чтобы присоединиться к основанию световой лампы. Диод пропускает ток во внутрь в одном направлении, вызывая то, что лампа получает только 50 процентов энергии того времени, за которое она бы работала на переменном токе. Это эффективно сокращает потребление напряжения где-то на 30 процентов. Срок службы лампы повышается очень сильно. Однако потребление энергии сокращается на 40 процентов (не 50, так как более холодная нить имеет меньшее сопротивление), а световой поток уменьшается на 70 процентов (более холодная нить менее эффективна в излучении видимого света).