Что такое лампочка и как она работает. Устройство электрической лампы накаливания

В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:

1. Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
2. Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
3. Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
4. Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.

В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Свечение электрической лампы накаливания обусловлено разогревом вольфрамовой нити, через которую проходит электрический ток. Выбор в пользу вольфрама при изготовлении тела свечения был сделан по той причине, что из многих тугоплавких токопроводящих материалов, он наименее дорогой. Но иногда нить накала электроламп изготавливается из других металлов: осмия и рения.
Мощность лампы зависит от того, какого размера нить используется. То есть, зависит от длины и толщины проволоки. Так у лампы накаливания 100 вт нить будет иметь большую длину, чем у лампы накаливания 60вт.

Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы

Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:

1. Колба. Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
   – высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
   – жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт - 100°C, 40 Вт - 145°C);
   – твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании.
2. Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
3. Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
4. Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
5. Цоколь изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
   — соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
   — служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
   — является одним контактом.

Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.

Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:

Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.

Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.

История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания

За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.
А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.
1854 год – первая практичная лампа. Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.
1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.
1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.
1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.
1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.
1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.
1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.
1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.
1909 год – наполнение колб аргоном.
С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.

Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света

Для освещения создана . Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:

1. Дешевизна при производстве.
2. Нечувствительность к перепадам напряжения.
3. Быстрое зажигание.
4. Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
5. Наличие возможности регулировки яркости источника света.
6. Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
7. Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
8. Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
9. Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
10. Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
11. Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
12. Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
13. Бесшумность работы.
14. Не создаёт радиопомех.

Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:

1. Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
2. Короткий срок службы.
3. Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
4. Чувствительность к встряске и вибрации.
5. Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
6. Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.

Несмотря на наличие существенных недостатков, электрическая лампа накаливания является безальтернативным прибором освещения. Низкий КПД компенсируется дешевизной производства. Поэтому в ближайшие 10 – 20 лет она будет вполне востребованным товаром.

Ни для кого не секрет, что даже сейчас, с появлением множества новых энергосберегающих источников света, лампа накаливания (еще ее называют «лампочка Ильича» или вольфрамовая лампа), остается очень востребованной, и многие пока не готовы от нее отказаться. Скорее всего, пройдет еще немного времени и этот световой прибор практически уйдет с рынка электротехники, но, естественно, забыт он не будет. Ведь по сути, с открытием обычной лампы накаливания началась новая эра в освещении.

Из чего состоит вольфрамовая лампочка?

Конструкция лампы накаливания с вольфрамовой нитью очень проста. Она состоит из:

• колбы, т. е. самой стеклянной сферы, либо вакуумированной, либо наполненной газом;
• тела накала (нить накаливания) – спирали из сплава вольфрама;
• двух электродов, по которым на спираль подается напряжение;
• крючков – держателей вольфрамовой нити, выполненных из молибдена;
• ножки лампочки;
• внешнего звена токоввода, служащего предохранителем;
• корпуса цоколя;
• стеклянного изолятора цоколя;
• контакта донышка цоколя.

Принцип работы лампы накаливания также несложен. Свет вырабатывается по причине того, что вольфрамовая нить нагревается от подаваемого на нее напряжения. Подобное свечение, хоть и в более малых объемах, можно увидеть при работе электрической плитки с открытым нагревательным элементом из нихрома. Свет от спирали выделяется очень слабый, но на этом примере становится ясно, как работает лампа накаливания.

Кроме привычной формы, эти световые приборы могут быть и декоративными, в виде свечи, капли, цилиндра или шара. Так как свет от вольфрама всегда одного цвета, производители выпускают такие осветительные приборы с различными, иногда окрашенными стеклами.

Интересны в работе лампочки с нитями накаливания с зеркальным покрытием. Принцип действия лампы накаливания можно сравнить с точечными светильниками, так как освещают они направленно определенную площадь.

Достоинства

Конечно, основные преимущества ламп накаливания – это минимальная сложность при их изготовлении. Отсюда, естественно, и низкая цена, ведь на сегодняшний день более простого электрического прибора и представить нельзя. Та же история и с включением такого элемента в сеть. Для этого не нужно устанавливать какое-то дополнительное оборудование, достаточно простейшего патрона.

В некоторых случаях даже при его отсутствии люди подключают лампы накаливания, на скорую руку соорудив патрон из дерева, пластика, либо вовсе соединяя лампу с проводом при помощи изоляционной ленты. Конечно, такие подключения в форс-мажорных обстоятельствах имеют право на существование, но они небезопасны в смысле пожарной и электрозащиты (необходимо следить, чтобы основание не нагрелось).

Также лампочки с нитью накаливания больших мощностей (150 Вт) очень широко применяются в освещении теплиц. Ведь помимо того, что они дают свет, в результате накаливания вольфрамовой нити лампы сильно нагреваются. К тому же освещение от них наиболее близко к солнечному свету, современная лампочка на светодиодах или люминесцентная энергосберегающая этим похвастаться не могут. По этой же причине лампа накаливания имеет преимущество и в вопросе влияния на зрение человека.

Недостатки

К недостаткам ламп накаливания можно отнести недолговечность работы таких приборов, это напрямую зависит от такого параметра, как напряжение в сети. Если повысить ток, то спираль начнет быстрее изнашиваться, что и приведет к перегоранию в самом тонком месте. Ну а если же понизить напряжение, то освещение станет намного слабее, хотя, конечно, это увеличит срок службы лампы.

К основным недостаткам ламп накаливания можно также отнести и негативное действие на нить накала резких скачков напряжения. Но от этого недостатка можно избавиться путем установки вводного стабилизатора. Конечно, остается вопрос с включением освещения. Ведь в момент подачи напряжения нить накала холодная, а значит, сопротивление ее ниже. Решается эта проблема установкой простейшего поворотного диммера. Тогда с поворотом рукоятки нить будет накаливаться плавнее, (т. е. будет отсутствовать краткая резкая подача напряжения), а значит и прослужит она много дольше.

Но все же главным минусом этих приборов, конечно же, можно считать их низкий КПД, а именно то, что работающая лампа расходует подавляющую части энергии на тепло, в результате чего начинает сильно нагреваться. Эти потери составляют до 95%, но такой уж алгоритм работы вольфрамовых лампочек. Так что при приобретении этого светового прибора следует учитывать все преимущества и недостатки лампы накаливания.

Виды ламп накаливания

Лампочки с использованием вольфрамовой нити могут быть не только вакуумными. Устройство лампы накаливания различает несколько видов подобных осветительных приборов, каждый из которых используется в определенных отраслях. Они могут быть:

• вакуумными, т. е. самыми простыми;
• аргоновыми, либо азотно-аргоновыми;
• криптоновыми, которые светят на 13–15% сильнее аргоновых;
• ксеноновыми (чаще применяемыми в последнее время в фарах автомобилей и светящими в 2 раза ярче аргоновых);
• галогенными – колба в лампе накаливания наполнена галогеном брома или йода. Свет в 3 раза ярче, чем у аргоновой, но эти лампы не терпят снижения напряжения и внешнего загрязнения стекла колбы;
• галогенными с двойной колбой – с повышенной эффективностью работы галогенов по сбережению вольфрама в нити накаливания;
• ксенон-галогенными (еще более яркими) – они наполнены помимо галогенов йода или брома еще и ксеноном, т. к. от того, какой газ находится в колбе, напрямую зависит то, сколько градусов составит нагрев лампы а, следовательно, зависит и ее яркость.

Коэффициент полезного действия

Как уже говорилось, ввиду того, что строение лампы накаливания подразумевает разогрев спирали, 95% подающейся на осветительный прибор энергии уходит в тепло, выделяемое при ее работе, и лишь 5% идет непосредственно на освещение. Это тепло является инфракрасным излучением, которое глаза человека не воспринимают. Потому коэффициент полезного действия таких осветительных приборов при повышении температуры лампы накаливания до 3 400 К составит 15%. При снижении ее до 2 700 К (что соответствует температуре работы лампы в 60 Ватт) КПД ламп составит уже 5%. Получается, что с повышением температурных режимов повышается и КПД, но при этом значительно падает срок службы. Значит, при условии понижения тока падает и коэффициент полезного действия, зато долговечность прибора возрастет в тысячи раз. Такой способ увеличения срока службы ламп часто используется в подъездах многоквартирных домов, где питание на источники подается последовательно на два осветительных прибора, либо к лампе последовательно подключается диод, что позволяет понизить ток сети.

Что выбрать: светодиоды или вольфрамовые лампы?

Это вопрос, ответ на который каждый находит для себя сам, оценив для себя лампы накаливания, их достоинства и недостатки. Советов здесь быть не может. С одной стороны, светодиоды потребляют во много раз меньше электроэнергии и более долговечны в работе, чего нельзя сказать о «лампочках Ильича», а с другой – лампы накаливания оказывают более щадящее действие на зрение человека.

И все же есть статистика, а согласно ей, продажи светодиодов и энергосберегающих ламп в последнее время возросли более чем на 90%, т. к. человеку свойственно идти в ногу с прогрессом, а значит, недалеко время, когда лампы накаливания уйдут в прошлое.

Сегодня сложно представить жизнь людей без электрической лампы. Этот довольно простой прибор используется для освещения различных помещений и улиц. Существует большое количество видов лампочек, отличающихся мощностью свечения и принципом работы. В последнее время все чаще пользователи обращают внимание на энергосберегающие устройства, но и обычная лампа накаливания не спешит сдавать позиции.

Принцип действия

Принцип работы лампы накаливания довольно прост , как и конструкция этого устройства. Электроток проходит через тугоплавкий проводник и разогревает его до высокой температуры. Следует заметить, что температура нагрева зависит от подведенного к устройству напряжения. В соответствии с законом Планка, разогретый проводник способен генерировать электромагнитные волны.

Чем выше температура, тем короче длина волны испускаемого излучения. Волны видимого спектра появляются при нагреве проводника до нескольких тысяч градусов по шкале Кельвина. Если спираль электрической лампочки нагреть до 5000 К, то она будет светиться нейтральным светом (аналогично тому, что излучает Солнце). По мере снижения температуры цвет свечения начнет меняться сначала на желтый, а затем на красный.

В лампах преобладающая часть энергии трансформируется в тепловую и лишь незначительное ее количество преобразуется в световой поток. Также следует помнить, что органы зрения человека способны воспринимать только определенный диапазон световых волн. Чтобы увеличить освещенность помещения, приходится повышать температуру спирали. Однако это возможно лишь до определенного показателя, который ограничен свойствами материала проводника.

Таким образом, максимальная температура лампочки составляет 3410 градусов по шкале Цельсия. Дальнейший нагрев вольфрама приведет к деформации и расплавлению материала. Однако даже такая температура может быть достигнута только при определенных условиях окружающей среды. Если вольфрам контактирует с кислородом, то он превращается в оксид. Когда из колбы выкачивается воздух, появится возможность создать лампу мощностью максимум в 25 Вт. Более мощные устройства содержат в колбе инертные газы.

Особенности конструкции

Хотя лампы и отличаются конструкцией, они имеют три общих элемента - выводы, проводник и стеклянную колбу. У некоторых устройств специального назначения может отсутствовать цоколь, так как используются держатели другого типа. Также иногда в лампочки встраивается ферроникелевый предохранитель. Чаще всего он монтируется в ножке, поэтому после выхода из строя проводника колба не разрушается.

Когда нить накала обрывается, появляется электродуга, которая расплавляет остатки материала. Вещество в расплавленном состоянии падает на стеклянную емкость и может нарушить ее целостность. Предохранитель способен предотвратить процесс плавления спирали. Однако такая технология не получила широкого распространения по причине малой эффективности.

Если говорить о том, из чего состоит лампочка, то необходимо отметить основные элементы конструкции. К ним относятся:

• колба, изготовленная из стекла;
• излучающий проводник;
• электроды;
• цоколь;
• газовая среда;
• держатели излучающего проводника.

Колба и газовая среда

Благодаря стеклянной емкости нить накаливания защищена от процесса окисления, возникающего при взаимодействии материала излучающего проводника с кислородом. Первые электрические лампы накаливания производились с вакуумной колбой. Сейчас по такой технологии выпускаются только устройства малой мощности. Для производства более мощных устройств чаще всего используется азотно-аргонная смесь или один аргон. Также в колбах некоторых ламп может содержаться ксенон либо криптон. Показатель теплового излучения материала нити накаливания зависит от молярной массы газа.

Отдельной группой являются галогенные лампочки, в стеклянную емкость которых закачан газ группы галогенов. При нагреве материал излучающего проводника испаряется и вступает в реакцию с этими газами. Получившееся во время химического процесса вещество быстро расщепляется под воздействием высокой температуры и возвращается на нить накала. В результате не только повышается КПД устройства, но и увеличивается срок его эксплуатации.

Излучающий проводник

Форма нити накала может быть любой и зависит от специфики устройства. Чаще всего в обычной лампочке проводник имеет круглое сечение, но можно встретить и ленточное. Следует заметить, что в первых лампах использовался даже уголь , способный нагреться до температуры 3559 градусов по шкале Цельсия. Однако в современных приборах основным материалом нити накаливания является вольфрам.

Также этот элемент может быть изготовлен из сплава осмия с вольфрамом. Выбор вида спирали не является случайным, так как от этого зависят ее габариты. В современных лампах могут использоваться биспирали и даже триспирали. Они получаются благодаря повторному закручиванию. Это позволяет увеличить КПД устройства благодаря снижению показателя тепловыделения.

Цоколь лампы

Этот элемент стандартизован и имеет определенную форму и габариты. В результате можно легко заменить лампочку после ее выхода из строя. Сегодня чаще всего используются устройства с цоколем Е14 , Е27, а также Е40. Расшифровка этой маркировки крайне проста - цифры после литеры Е указывают на наружный диаметр элемента.

Так как сейчас существует большое количество видов ламп, то некоторые из них отличаются конструкцией цоколя. Например, есть приборы, которые удерживаются в патроне благодаря силе трения. Также следует заметить, что цоколь в устройстве лампы накаливания выполняет следующие функции:

• соединяет несколько элементов;
• представляет собой один из контактов;
• позволяет надежно крепить прибор в патроне.

Преимущества и недостатки

Все технические устройства имеют не только преимущества, но и недостатки. Лампочки накаливания не стали исключением.

Положительные качества

Одним из главных плюсов этих устройств является простота конструкции, что делает стоимость изделия невысокой. Сейчас без труда можно приобрести прибор желаемой мощности и габаритов. Не менее важным преимуществом классических электролампочек является спектр свечения их излучающего элемента. Так как он максимально близок к солнечному свету, то не может негативно влиять на органы зрения.

Разогретая нить накала обладает тепловой инерцией, поэтому испускаемый ею свет практически лишен пульсации. Это выгодно отличает обычные лампочки накаливания от изделий другого типа (например, люминесцентных ламп). При производстве этих устройств не используются вредные вещества, благодаря чему для их утилизации не требуются специальные технологии.

Негативные свойства

Одним из основных недостатков устройств можно считать зависимость от показателя питающего напряжения. Если он увеличивается и превышает допустимые пределы, то спираль быстро изнашивается. Когда напряжение падает, то уменьшается и световой поток, излучаемый устройством.

Кроме этого, следует помнить, что излучающий элемент предназначен для работы на протяжении продолжительного временного отрезка. Показатель сопротивления холодной спирали значительно ниже в сравнении с рабочим режимом.

Из-за этого в момент включения возникает сильный скачок силы тока, что приводит к испарению материала нити накала. Таким образом, срок службы устройства зависит от количества включений.

Однако с этим недостатком можно бороться, используя специальные устройства плавного пуска - диммеры. Также с их помощью можно регулировать и показатель светового потока в довольно широком диапазоне.

Наиболее серьезным недостатком ламп накаливания является низкий КПД. Основная часть электроэнергии преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Сейчас все чаще используются светодиодные лампы, позволяющие экономить на электричестве.

Электричество, на котором работают осветительные лампы, телевизоры и другие бытовые электроприборы, состоит из движущихся электронов или электрического тока. Если свободный электрон приведен в движение, он со временем столкнется с атомом и переведет его в возбужденное состояние, другими словами - передаст атому часть своей энергии.

Возбужденный атом затем высвобождает эту дополнительную энергию в виде электромагнитного излучения. Когда электроны перемещаются по металлической нити лампы накаливания, нагрев нити приводит к тому, что она раскаляется добела и начинает испускать интенсивное электромагнитное излучение.

В люминесцентной лампе электрический ток вместо нити накала течет через газ. Когда электрический ток проходит по газоразрядной трубке, он заставляет газ испускать ультрафиолетовое излучение, которое возбуждает фосфор, покрывающий внутреннюю поверхность трубки, запуская цепную реакцию, в результате которой электромагнитное излучение высвобождается в области видимого света.

Длина волны излучения, испускаемого горячими телами, больше всего зависит от их температуры. Солнце при 6000°К испускает основную часть своего излучения в видимом спектре, в то время как 100-ваттная лампа накаливания, излучающая при температуре около 3000°К, выделяет основную часть своей энергии в виде инфракрасного излучения и совсем немного - в видимом диапазоне.

Удивительная нить

Электричество нагревает нить накала - свернутую спиралью проволоку внутри лампы накаливания - примерно до 3000°К (5000°F). Эта тонкая проволочка может выдерживать столь высокую температуру, потому что сделана из вольфрама, металла с высокой температурой плавления.

Люминесцентный свет из газа

В люминесцентных лампах в производстве света участвуют электроны, газ и химическое вещество, называющееся фосфором. Электроны, протекающие через полость стеклянной трубки, сталкиваются с атомами газа, отдавая им свою энергию. Возбужденные атомы газа высвобождают невидимые ультрафиолетовые лучи, которые бомбардируют фосфорное покрытие трубки. Фосфор поглощает это излучение и вновь его испускает, но уже в видимом диапазоне спектра

Тепловыделение в лампе накаливания

Лампа накаливания разогревается, потому что свободные электроны (голубые шарики) движутся по ее металлической нити (коричневая трубка) и сталкиваются на своем пути со стационарными атомами (красные шарики). Возбужденные атомы начинают совершать интенсивные колебания, увеличивая температуру металлической нити и заставляя ее светиться.

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а - высоковольтной проекционной лампы; б - низковольтной проекционной лампы; в - обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а - в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б - в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 - кольцевая спираль; 2 - прямая биспираль; 3 - спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Металлы	T , °С	Карбиды и их смеси	T , °С	Нитриды	T , °С	Бориды	T , °С
Вольфрам Рений Тантал Осмий Молибден Ниобий Иридий Цирконий Платина	3410 3180 3014 3050 2620 2470 2410 1825 1769	4TaC + + HiC 4TaC + + ZrC HfC TaC ZrC NbC TiC WC W2C MoC VnC ScC SiC	3927 3887 3877 3527 3427 3127 2867 2857 2687 2557 2377 2267	TaC + + TaN HfN TiC + + TiN TaN ZrN TiN BN	3373 3087 2977 2927 2727	HfB ZrB WB	3067 2987 2927

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10 -10 и 9,95×10 -8 кг/(см²×с).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 - 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Температура, К	Скорость испарения, кг/(м²×с)	Удельное электрическое сопротивление, 10 -6 Ом×см	Яркость кд/м²	Световая отдача, лм/Вт	Цветовая температура, К
1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400	5,32 × 10 -35 2,51 × 10 -23 8,81 × 10 -17 1,24 × 10 -12 8,41 × 10 -10 9,95 × 10 -8 3,47 × 10 -6	24,93 37,19 50,05 63,48 77,49 92,04 107,02	0,0012 1,04 51,2 640 3640 13260 36000	0,0007 0,09 1,19 5,52 14,34 27,25 43,20	1005 1418 1823 2238 2660 3092 3522

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами - калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10 -7 К -1 . Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 - 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов