Министерство образования Российской Федерации
Министерство образования Томской области
Негосударственное образовательное учреждение гимназия "Томь"
Ул. Карташова 68/1
От лампы накаливания к люминесцентной лампе
Томск, 2009
Введение
Нажимая на рубильник, мы редко задумываемся о том, как зажигается лампочка, и кто же придумал столь хитроумное устройство. В этом я и попыталась разобраться в своей исследовательской работе.
Лампа накаливания возникла в 1876 году, и только спустя почти 20 лет появились первые задатки люминесцентной лампы. Хотя распространение она (люминесцентная лампа) получила только в наши дни.
Цель работы: изучить историю возникновения и устройство ламп.
Задачи
1. что такое лампа накаливания?
2. изучить историю происхождения;
3. определить достоинства и недостатки ламп накаливания;
4. изучить принцип действия;
5. просмотреть и понять устройство;
6. какие обозначения используются для ламп накаливания;
7. разновидности;
8. как отличить качественные лампы;
9. особенности;
10. как определить срок службы лампы;
11. что такое люминесцентная лампа?
12. просмотреть на историю возникновения;
13. изучить особенности;
14. сравнить электронный и электромагнитный балласт;
15. определить причины выхода из строя;
16. изучить спектр люминесцентной лампы;
17. рассмотреть все виды люминесцентных ламп.
1. Лампа накаливания
Определения
Лампа накаливания — источник света, преобразующий энергию проходящего по спирали лампы электрического тока в тепловую и световую. По физической природе различают два вида излучения: тепловое и люминесцентное.
Тепловым называют световое излучение, возникающее при нагревании тел. На использовании теплового излучения основано свечение электрических ламп накаливания.
Под вечер, когда сгущаются сумерки, мы привычно щелкаем выключателем, и под потолком загорается "маленькое солнце" - электрическая лампочка. И редко кто вспоминает при этом об изобретателе простого, надежного и удобного источника света.
История возникновения
В 1802 г русский ученый В.В. Петров зажег первый электрический источник света – электрическую дугу с "огромной наипаче батареей" из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров взял два угольных стержня. Один соединил проволокой с плюсом гальванической батареи, а другой с минусом. Когда он сблизил концы стержней, ток перепрыгнул через воздушный промежуток с одной на другую. Концы стержней при этом раскалились добела, и между ними появилась огненная дуга.
Но угольные стержни сгорали быстро и неравномерно. Да и дуговую лампу не поставишь на стол – слишком жарко и ярко.
В 1872 году русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин подал заявку, а затем получил привилегию (патент) (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В августе 1873 года Лодыгин продемонстрировал образцы изобретённой им электрической лампы накаливания в физической аудитории Петербургского технологического института, а в 1874 Петербургская Академия Наук присудила ему Ломоносовскую премию. В 1875 г новыми усовершенствованными лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге. Это был первый в мире магазин с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. 10 сентября 1880 года Московская городская дума решила устроить "электрическое освещение в местности вокруг храма Христа Спасителя". Лампы были слишком маломощные, светили тускло, но все равно успех на их долю выпал огромный. Новые лампочки Лодыгина были долговечнее прежних: они служили целых два месяца. Но их недостатком была большая сложность устройства. В каждой лампочке было четыре уголька. Когда перегорал один уголек, на его место заступал другой.
Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. В 1876 году на Парижской выставке Яблочков получает первый в мире патент на изобретение электрической дуговой лампы без регулятора - электрической "свечи"- "Свечи" Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть "la lumiere russe" - "русский свет".
Принято считать, что более простую и долговечную лампочку изобрел Эдисон.
1 января 1880 г. три тысячи человек присутствовали в Менло-Парке (США) на демонстрации электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования. Он добился значительно лучшего удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая, в течение многих недель, поместил в лампочку не угольный стерженек, а волосок из обугленного бамбукового волокна, соединил воедино лампу накаливания, электрогенератор, розетку и вилку.
Однако, задолго до Эдисона, американец К.В. Штарр подал в 1845 году в Великобритании заявку на патент, в описании которой говорится о том, как, поместив тело накала вакууме и подведя к нему два электрода, можно довести его до свечения.
А в 1854 г, то есть за 25 лет до Эдисона владелец часового магазина в Нью-Йорке, германский эмигрант Генрих Гебель представил в Нью-Йорке первые, подходящие для практического применения лампы накаливания с угольными нитями со сроком горения около 200 часов. В качестве нити накаливания он применил обугленную бамбуковую нить толщиной 0,2 мм, помещенную в вакуум. Вместо колбы Гебель из соображений экономии использовал сначала флаконы от одеколона, а позднее – стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути, то есть с помощью метода, применявшегося при строительстве барометров. Созданные лампы накаливания Гебель использовал для освещения своего часового магазина. Чтобы привлечь к своему магазину внимание покупателей, Гебель устанавливает аппаратуру на крыше и получает такие яркие световые дуги, что соседи вызывают пожарных. После нескольких выездов пожарных, суд запрещает Гебелю подобные эксперименты. Чтобы улучшить свое финансовое положение, Гебель разъезжал по Нью-Йорку на коляске и предлагал всем желающим посмотреть на звезды в подзорную трубу. Свою коляску он украсил лампами накаливания. Таким образом, Гебель был первым, кто использовал свет в рекламных целях. Из-за отсутствия денег и связей германский эмигрант не смог зарегистрировать патент на свою лампу с угольной нитью. Только в 1882 году Гебель написал в прессе о своей работе. Но к этому времени на международной выставке в Париже в 1881 году Эдисон уже представил свою лампу накаливания с угольной нитью и резьбовым цоколем и успел завоевать славу изобретателя лампы накаливания. Эдисон зарегистрировал патент на свою систему освещения и продавал права на ее изготовление в США и Европе. В Германии лицензией на изготовление ламп накаливания по патенту Эдисона, начиная с 1883 года, обладали фирма Deutsche Edison - Gesellschaft (позднее AEG) и фирма Siemens & Halske. Фирма General Electric Company, являясь наследницей прав фирмы Edison - Gesellschaft в США, вела многочисленные процессы против своих конкурентов, выдвигая против них обвинения в незаконном использовании патентов. Среди обвиняемых ею фирм была и фирма Beacon Vacuum Pump and Electrical Company. Эта фирма сослалась на работы Генриха Гебеля и добилась его участия в процессе в качестве свидетеля. Экспертам поручили оценить работоспособность его лампы с угольной нитью. В качестве доказательства под руководством Гебеля были изготовлены несколько ламп с угольными нитями. Во время тестирования срок горения ламп Гебеля с угольными нитями составил от 190 до 254 часов. Суд подтвердил, что лампа накаливания Гебеля с угольной нитью "действительно является подходящим для использования источником света" и что "он использовал и прилюдно показывал подходящую для практического применения лампу накаливания еще за несколько десятилетий до Эдисона". Американский патент Эдисона пришлось признать недействительным до окончания срока действия охранных прав. Таким образом, в возрасте 75 лет Генрих Гебель получил признание, как изобретатель первой пригодной для использования лампы накаливания с угольной нитью.
До середины ХХ века лампы накаливания оставались единственным источником света. Но моральное старение уже привычных вещей – явление столь же древнее, как сама жизнь. В процессе работы вольфрамовая нить лампы накаливания частично испаряется, сечение нити становиться меньше, при длительном горении колба чернеет, и, наконец, нить перегорает. Средняя продолжительность горения лампы накаливания 1000 часов. Лампы накаливания чувствительны даже к относительно небольшим повышениям напряжения. Так при повышении напряжения всего на 6 % срок службы лампы накаливания снижается вдвое. Световая отдача их составляет 10-15 лм/Вт.
Достоинства и недостатки ламп накаливания
Достоинства: - при включении они зажигаются практически мгновенно;
- имеют незначительные размеры;
- стоимость их невысока.
Основные недостатки:
- лампы обладают слепящей яркостью, отрицательно отражающейся на зрении человека, поэтому требуют применения соответствующей арматуры, ограничивающей ослепление;
- обладают незначительным сроком службы (порядка 1000 часов);
- срок службы ламп существенно снижается при повышении напряжения питающей электросети.
Световой КПД ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%.
Таким образом, основной недостаток ламп накаливания — низкая светоотдача. Ведь лишь незначительная часть потребляемой ими электрической энергии превращается в энергию видимых излучений, остальная часть энергии переходит в тепло, излучаемое лампой.
Принцип действия
Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600...3000 °С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200...3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.
Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.
Рис. 4.1. Устройство и включение ламп накаливания
Устройство и работа ламп накаливания
Лампа накаливания (рис. 4.1) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой — к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой — к контактной пластине, как показано на рис. 4.1. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.
Обозначения ламп накаливания
В обозначении ламп накаливания буквы означают: В — вакуумная; Г — газонаполненная; Б — биспиральная; БК — биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ — диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО — местного освещения.
За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.
Пример. "В 220...230-25" обозначает напряжение 220...230 В, мощность 25 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX2005.
Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются:
- в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается);
- в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%);
- в опаловых колбах;
- окрашенных в молочный цвет баллонах (световой поток ламп уменьшается на 20%).
Лампы мощностью до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.
Примеры исполнения стандартных ламп накаливания
Рис. 4.2. Примеры исполнения ламп накаливания
Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 4.2. На рис. 4.2.а,б — лампы одинаковой мощности, но на рис. 4.2.а — газонаполненная с аргоновым, а на рис. 4.2.6 — с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 4.2.в. напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 4.2.г,д,е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная криптоновая и зеркальная лампы.
Нормальные лампы накаливания
Нормальные лампы накаливания это лампы общего назначения напряжением 220В, мощностью до 1000 Вт в силикатных баллонах. Цветовая температура колеблется в зависимости от мощности и газозаполненности от 2500 до 2950К. При повышении температуры спирали возрастает яркость, но вместе с тем и сокращается срок службы. Сокращение срока службы является следствием того, что испарение материала, из которого сделана нить, при высоких температурах происходит быстрее, вследствие чего колба темнеет, а нить накала становится все тоньше и тоньше и в определенный момент расплавляется, после чего лампа выходит из строя. Световая отдача такой лампы крайне невысока – всего 17 люмен/ватт.
Зеркальные и декоративные лампы
Лампы в зеркальных колбах, или зеркальные лампы, имеют колбу специальной формы, на которую нанесен со стороны цоколя зеркальный слой. Остальная часть колбы матирована. Зеркальные лампы предназначены для освещения высоких помещений и открытых пространств, декоративного освещения. Неодимовые лампы используются там, где необходимо высокое качество цветопередачи.
Выпускаются также специальные лампы накаливания с зеркальным отражателем: термоизлучатели; кварцевые галогенные (КГ-220-1200); ИКЗК-220-500. Обозначения декоративных ламп специального назначения: БЛ — белые; Ж — желтые; 3 — зеленые; К — красные; О — опаловые.
Обозначения зеркальных ламп: ЗК — концентрированного светораспределения; ЗС — среднего светораспределения; ЗШ — широкого светораспределения; ЗКН — зеркальные из неодимового стекла концентрированного светораспределения; ЗШН — зеркальные из неодимового стекла широкого светораспределения.
Зеркальные лампы
Имеют параболоидную форму баллона, верхняя часть которого имеет зеркальное покрытие. Вольфрамовая нить свернута в спираль. Купол баллона слабо матирован для сглаживания бликов в световом пятне. В зависимости от типа колбы делятся на два семейства: зеркальные лампы SPOT с колбой из дутого стекла и зеркальные лампы типа PAR с колбой из прессованного стекла. Зеркальные лампы, излучающие направленный свет, являются самым простым светильником. Лампы имеют цветовую температуру 3200К.
Лампы – фары
Зеркальные лампы накаливания с определенной кривой светорассеивания при концентрации светового потока в угле порядка 20 градусов и большой осевой силой света. Выполнены они из двух сваренных стеклянных чечевицеобразных элементов, зеркального параболоидного отражателя и прозрачного рассеивателя с резко выраженным рифлением. Сваренный баллон наполнен инертным газом криптоном. Различают три вида ламп-фар: первый - в фокусе отражателя расположена вольфрамовая нить (цветовая температура 2900К), второй - в фокусе отражателя в качестве источника света расположена галогенная лампа (цветовая температура 3200К), третий- галогенная лампа в баллоне и рассеиватель с интерференционным покрытием для повышения цветовой температуры до 5000К.
Галогенная лампа (tungsten-halogen lamp)
Не надо путать эту лампу с металлогалоидной (metal-halide lamp).
Кварцевогаллогенные лампы - представляют собой лампы накаливания с телом накала из вольфрама, расположенным внутри кварцевой колбы, заполненной инертным газом или газами из группы галогенов. Выпускаются в двух исполнениях - компактные и протяженные. Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания, но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газе-наполнителе, и с другой стороны становится возможным применение дорогих инертных газов криптон и ксенон в качестве газов-наполнителей.
Присутствие галогенов тормозит испарение вольфрама, что увеличивает срок службы до 2000 часов. Кроме того, увеличивается светоотдача (около 25 люмен/ватт), а цветовую температуру можно поднять до 3400К (в номинальном режиме 3200К). Питание ламп осуществляется переменным или постоянным током. Номинальные напряжения 12, 24, 36 или 220 В. По форме лампы бывают прожекторного типа с телом накала в виде компактной спирали и трубчатые с телом накала в виде длинной спирали.
Криптоновая, неодимовая и т.д. лампа
Чтобы уменьшить скорость испарения вольфрама с нити накаливания, лампы накаливания наполняются газом. В дешевых лампах - смесью азота и аргона, в более дорогих - вместо аргона используется криптон, который имеет более низкую теплопроводность, или ксенон, который имеет еще более низкую теплопроводность. Если лампа - галогенная, то иодиды составляют примерно 1%, все остальное - инертные газы. Не путайте ксеноновые и т.д. лампы накаливания с ксеноновыми газоразрядными лампами - те из совершенно другой области.
Страницы: 1, 2
