Из какого металла делают нить накаливания в электрической лампочке

Обновлено: 21.09.2024

электрическая, источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника. Впервые световую энергию таким способом получил русский учёный А. Н. Лодыгин в 1872, пропуская электрический ток через угольный стержень, помещенный в замкнутый сосуд, из которого был откачан воздух. В 1879 американский изобретатель Т. А. Эдисон создал удобную для промышленного изготовления, достаточно долговечную конструкцию Л. н. с угольной нитью. В 1898—1908 в качестве тела накала испытывались металлы (Os, Та, W), и с 1909 стали применяться Л. н. с зигзагообразно расположенной вольфрамовой нитью. В 1912—13 появились Л. н., наполненные азотом и инертными газами (Ar, Kr); вольфрамовую нить стали изготовлять в виде спирали. Дальнейшее совершенствование Л. и. велось в направлении улучшения световой отдачи путём повышения температуры тела накала при сохранении срока службы лампы. Заполнение Л. н. высокомолекулярными инертными газами с добавками галогенов (См. Галогены) (см. Иодная лампа) позволило уменьшить загрязнение колбы лампы частицами распылившегося вольфрама и снизило скорость его испарения. Использование тела накала в форме биспирали (спирали, навитой из спирали) и триспирали сократило потери тепла через газ.

Все многочисленные разновидности Л. н. состоят из однотипных частей, различающихся размерами и формой. Устройство типичной Л. н. показано на рис. 1. Внутри колбы на стеклянном или металлическом штенгеле с помощью держателей из молибденовой проволоки закреплено тело накала (спираль из вольфрама). Концы спирали прикреплены к концам вводов; средняя часть вводов с целью создания вакуумноплотното соединения со стеклянной лопаткой выполняется из платинита или молибдена. В процессе вакуумной обработки колба лампы наполняется инертным газом, после чего штенгель заваривается с образованием носика. Для защиты носика, а также для крепления в патроне лампа снабжается цоколем, прикрепляемым к колбе цоколёвочной мастикой.

Л. н. классифицируют по областям применения (осветительные общего назначения, для фар и др.), по основной конструктивной форме и светотехническим свойствам колбы (зеркальные лампы (См. Зеркальная лампа), декоративные, с рассеивающим покрытием и др.), по форме тела накала (лампы с плоской спиралью, биспиралью и др.). По габаритным размерам различают сверхминиатюрные, миниатюрные, малогабаритные, нормальные и крупногабаритные Л. н.; например, к сверхминиатюрным лампам относятся Л. н. с длиной 175 мм, а диаметр >80 мм.

Л. н. изготовляются на напряжения от долей до сотен в, мощностью до десятков квт (рис. 2). Например, прожекторная лампа мощностью 10 квт имеет длину 475 мм и диаметр 275 мм. Увеличение напряжения на Л. н. против номинального на 1% повышает световой поток на 4%, но снижает срок службы на 15%. Кратковременное включение на напряжение, превышающее номинальное на 15%. выводит лампу из строя. Срок службы Л. н. колеблется от 5 ч (например, самолётные фарные лампы) до 1000 ч и более (например, транспортные лампы), поэтому лампы должны устанавливаться в местах, обеспечивающих лёгкость их замены. Световая отдача Л. н. зависит от конструкции, напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10—35 лм/вт. В табл. 1 и 2 приводятся значения световой отдачи некоторых ламп различных конструкций.

Лампы накаливания: виды и основные характеристики.

Человек постоянно пытается продлить световой день, освещая свое жилище в темное время суток. Началось это еще на заре цивилизации и продолжается по сей день. Осветительные приборы прошли эволюционный путь от примитивной лучины, до высокопроизводительной электролампочки. Родительницей электроосвещения стала лампа накаливания, патент на которую был получен еще в середине XIX века. И хотя инновационные осветительные ресурсы активно завоевывают рынок, но все равно добрая старая «лампочка Ильича» остается достаточно востребованной.

Принцип действия и особенности конструкции

При нагреве до определенной температуры металл начинает светиться. Это свойство и используется в лампах накаливания. При этом пришлось решить несколько проблем, которые препятствовали созданию эффективного осветительного элемента. Во-первых, нужно было подобрать материал, который при накаливании не расплавится. В результате спираль изготавливается из вольфрама – самого дешевого из тугоплавких металлов. Во-вторых, процесс нагрева ускоряет окислительные процесс, который оказывает негативное влияние на состояние металла. Значит, необходимо было предотвратить контакт раскаленной спирали с кислородом, т. е. с воздухом.

В результате получилась конструкция лампы, которая преодолевает все проблемы и в то же время поражает своей простотой:

грушевидная колба из стекла с прикрепленным к узкой части металлическим цоколем. На нем имеется резьба, при помощи которой устройство вкручивается в патрон. В некоторых моделях резьба отсутствует, но имеются другие решения, соответствующие условиям эксплуатации;
внутри колбы имеется стеклянная ножка, с впаянными двумя электродами. Своими верхними концами они крепятся к краям спирали, а нижними – к цоколю. Причем один припаян к корпусу, а второй – к контакту на его дне;
вольфрамовая спиралевидная струна крепится к электродам и держателям (ножкам), изготовленным из тугоплавкого металла (молибдена). Они не дают спирали провиснуть при нагреве и оборваться. В зависимости от назначения ламп накаливания спиралей может быть несколько, а значит количество контактов и поддерживающих ножек увеличивается соответственно.

Из колбы откачивают воздух и заполняют ее инертным газом либо оставляют вакуумную среду. Этим решается проблема окисления. Проходя через вольфрамовую спираль, электрический ток разогревает ее. Причем происходит это незаметно для человеческого глаза и световой поток в результате накала проводника распространяется практически мгновенно.

Применяемые в лампах накаливания материалы

При изготовлении ламп накаливания используются разные материалы. Регулируется производство соответствующими статьями ГОСТа, в которых прописаны все необходимые требования – от размеров, до требований безопасности.

Металлы

В лампе накаливания присутствуют металлические детали – спираль и держатели. Нить накаливания чаще всего производят из вольфрама – тугоплавкого металла с температурой плавления до 3400°С. Значительно реже для спирали используют осмий и рений. При включении в сеть температура нити накала достигает 2000-2800°С. Ножки должны выдерживать высокую температуру и иметь низкий показатель теплового расширения, поэтому их делают из молибдена, который соответствует выдвигаемым требованиям.

Вводы

В этом осветительном элементе металлическими так же будут и контакты, по которым ток из сети будет передаваться на рабочую зону. Одним контактом выступает алюминиевый цоколь, к которому изнутри крепится проволока, выходящая к электроду (чаще всего, никелевому). Второй контакт располагается на донышке цоколя и отделяется от основного корпуса изолятором.

Стекла

В лампе накаливания колба производится из обычного прозрачного стекла. Встречаются виды из матового стекла, которое рассеивает свет, делая его мягче. Бывают особые модели в цветных колбах или с зеркальным напылением.

Газы

Для предотвращения образования окиси и сгорания вольфрама колбу лампы наполняют инертным (химически неактивным) газом – аргон, ксенон, криптон или азот. Бывают вакуумные виды. Кроме относительного повышения срока службы, подобные модели имеют минимальную теплоотдачу.

Характеристики

Лампы накаливания характеризуются такими величинами:

мощность (Вт). Диапазон этого показателя впечатляет размахом – от 25 до 1000 Вт. Подбирают «силу свечения» исходя из расчета освещенности помещения. Для бытовых нужд достаточно в 25-150 Вт, а для других – мощнее;
напряжение (В). Выпускаются виды ламп, работающих от напряжения 220 В, 380 В. Так же существуют источники освещения, работающие на пониженном напряжении;
светоотдача (Лм/Вт). Чем выше этот показатель, тем ярче будет гореть источник света. Для данного продукта он находится в диапазоне 9-19 Лм/Вт;
вид и размер цоколя. По виду монтажа цоколь бывает резьбовой и одно- либо двухконтактный штифтовой. Размер цоколя имеет три стандарта – Е14, Е27 и Е40 (самые ходовые). Цифры обозначают диаметр в миллиметрах;
эксплуатационный ресурс. В приемлемых условиях лампа накаливания может функционировать до 1000 часов.

Виды и характеристики ламп накаливания достаточно разнообразны. Это обуславливает их популярность и распространенность в различных производственных и бытовых сферах.

Разновидности ламп накаливания

Классифицируются лампы накаливания исходя из их конструкционных особенностей и сферы применения.

Общего и местного назначения – самая многочисленная группа. Лампы общего вида используются при организации основного освещения бытовых, промышленных и общественных помещений. Основным отличием устройств местного назначения является пониженное напряжения источника питания. Поэтому чаще всего их используют в переносных светильниках, для освещения рабочего места и т. д.;

Декоративные отличаются разнообразием размеров, форм и расположением спирали. Такие лампы накаливания обрели популярность в последнее время благодаря неординарному внешнему виду. Чаще всего их используют в дизайн-проектах в качестве декоративного элемента.

Иллюминационные виды ламп накаливания отличаются небольшим рабочим напряжением. Как правило, у них цветная колба, окрашенная изнутри (реже снаружи) неорганическим пигментом. Палитра красок самая разнообразная и зависит от цели использования. Чаще всего применяются в иллюминационных устройствах. Но эффективная цветопередача сохраняется недолго – под воздействием высокой температуры пигмент «выгорает» и теряет первоначальную яркость.

Сигнальные постепенно становятся историей. Все чаще их заменяют светодиодные элементы. Разрабатывался этот вид ламп накаливания для разнообразных светосигнальных устройств.

Зеркальные имеют колбу своеобразной формы. Ее разрабатывали с таким расчетом, чтобы световой поток имел определенную направленность. Препятствует рассеиванию и способствует фокусировке специальное алюминиевое покрытие. Оно наносится изнутри, оставляя не закрашенным определенный участок колбы (как правило верхний), через который и будет выходить луч света. Используется в местах где необходимо организовать направленное освещение.

Транспортные лампы используются в самых разнообразных ТС. Их конструкция и технические характеристики соответствуют условиям эксплуатации. Такие осветительные элементы отличаются повышенной прочностью и вибрационной устойчивостью. Устройство цоколя позволяет быстро сменить вышедшую из строя лампу на новую. Рассчитаны на работу от электросети транспортного средства. Основные виды таких элементов используются в осветительных приборах авто- и мототранспорта, на тракторной технике, самолетах и вертолетах, на морских и речных судах.

Отдельно в этой категории стоят двухнитевые лампы накаливания. В них имеются две спирали, что позволяет в некоторых ситуациях использовать вместо двух один элемент освещения. Например, фары автомобиля (переключение с ближнего на дальний или с габаритов на стоп-сигналы), ж/д светофоры и т. д.

Отдельную группу составляют галогенные лампы накаливания. Использование галогенов позволило значительно уменьшить габариты конструкции при повышении светоотдачи. По этой технологии изготавливаются элементы для общего освещения, инфракрасных облучателей, кино- и телеоборудования, прожекторов и пр.

Сфера использования

Лампы накаливания используются в самых различных сферах жизнедеятельности человека. Трудно даже представить место или устройство, где бы они не применялись. Начиная от обычного бытового освещения жилых помещений, до организации световой сигнализации, от карманного фонарика, до мощнейших военных прожекторов. И хотя современные технологии не стоят на месте предлагая все новые источники освещения, но во многих случаях «классические» лампочки не имеют равноценной замены. Подобная популярность вполне объяснима – они недороги, просты в монтаже и эксплуатации.

Маркировка

В маркировке ламп накаливания используются буквенные и цифровые обозначения. Состоит она из четырех частей:

первая – буквенная. В ней отражены конструкционные и физические особенности. Б – биспиральная с аргоном, Г – газовая односпиральная аргоновая, В – вакуумная, БК – биспиральная криптоновая, МЛ – молочный цвет стекла, О – колба опалового цвета;
вторая – буквенная. Показывает сферу использования. Ж – для ж/д, СМ – для самолетов, КМ – коммутационная, А – для автотранспорта, ПЖ – для прожекторов;
третья – цифирная. Рабочее напряжение и номинальная мощность;
четвертая – цифирная. Номер доработки.

Зная особенности маркировки продукции можно без труда подобрать необходимый для конкретных условий эксплуатации вид.

Достоинства и недостатки ламп накаливания

Лампы накаливания имеют как достоинства, так и недостатки. К основным минусам относится низкий коэффициент полезного действия. Для источников света под КПД подразумевается отношение интенсивности видимого светового потока к мощности, потребляемой для его производства. Его уровень не превышает 15% при температуре накала 3126°С. Но срок службы устройства при этом составляет всего несколько часов. При снижении нагрева эксплуатационный период повышается, но снижается КПД. При 2427°С коэффициент полезного действия составляет всего 5%, но светит такая лампочка на протяжении около 1000 часов. (Расчеты взяты для обычной грушевидной лампы накаливания мощностью 60 Вт). Это значит, что львиная доля энергии уходит в тепло (инфракрасное излучение), и только незначительная часть переходит в видимый для человеческого глаза спектр.

Еще имеются и такие недостатки у ламп накаливания:

светоотдача напрямую зависит от напряжения;
относительная пожароопасность – пространство вокруг колбы может нагреваться до +300°С;
неэкономичность;
хрупкость;
существует вероятность взрыва колбы;
незначительная величина срока службы лампы накаливания, особенно по сравнению с новейшими видами.

Но все эти недостатки перекрываются многочисленными достоинствами:

доступная цена;
компактность;
широкий диапазон мощности;
непрерывный светопоток с близкой к естественной светопередачей;
не мерцает на переменном токе;
не требуют дополнительных пускорегулирующих устройств и специальной утилизации;
не теряют яркости.

Благодаря этим достоинствам лампы накаливания остаются лидерами продаж в сегменте осветительных элементов.

Вместо заключения

К преимуществам ламп накаливания можно отнести и их «всепогодность». Был проведен интересный эксперимент, в котором включение осветительных элементов различных видов осуществлялось при экстремально низкой температуре — -150°С. И только обычна лампа накаливания выдержала и работала стабильно, обойдя галогеновую, светодиодную и люминесцентную.

Из какого металла сделана нить в лампочке

Металл, из которого сделана нить лампы накаливания весьма неприхотлив и интересен с химической точки зрения. Он с легкостью выдерживает температуры, при которых остальные металлы попросту испаряются. На него практически не действуют кислоты и щелочи.

Содержание статьи

Из какого металла сделана нить в лампочке
Какой металл является наилучшим проводником
Как паять вольфрам

Этот металл называется вольфрам. Он был открыт в конце 1781 году шведским химиком Шееле, и в течение всего 19 века ученые активно исследовали его. Сегодня человечество знает достаточно, чтобы успешно использовать вольфрам и его соединения в разных отраслях промышленности.

Вольфрам обладает переменной валентностью, что связано с особым расположением электронов на атомных орбиталях. Этот металл обычно имеет серебристо-белый цвет и обладает характерным блеском. Внешне напоминает платину.

Вольфрам можно отнести к неприхотливым металлам. Его не растворит ни одна щелочь. Даже сильные кислоты, такие как соляная или серная, не подействуют на него. По этой причине из вольфрама изготавливают электроды, используемые при гальванизации и электролизе.

Вольфрам и лампы накаливания

Почему же нить в лампах накаливания делают именно из вольфрама? Все дело в его уникальных физических свойствах. Ключевую роль здесь играет температура плавления, которая составляет около 3500 градусов Цельсия. Это на порядок выше, чем у многих металлов, часто используемых в промышленности. Например, алюминий плавится при 660 градусах.

Электрический ток, проходя через нить накаливания, нагревает ее до 3000 градусов. Выделяется большое количество тепловой энергии, которая бесполезно расходуется в окружающее пространство. Из всех известных науке металлов только вольфрам способен выдержать столь высокую температуру и не расплавиться, в отличие от того же алюминия. Неприхотливость вольфрама позволяет служить лампочкам в домах довольно долго. Однако, по прошествии некоторого времени нить рвется, и лампа выходит из строя. Почему так происходит? Все дело в том, что под воздействием очень высокой температуры при прохождении тока (около 3000 градусов), вольфрам начинает испаряться. Тонкая нить лампы со временем становится еще тоньше, пока не порвется.

Чтобы расплавить образец вольфрама используют электронно-лучевую или аргонную плавку. С помощью этих методов можно с легкостью нагреть металл до 6000 градусов Цельсия.

Получение вольфрама

Получить качественный образец этого металла довольно трудно, но сегодня ученые с блеском справляются с этой задачей. Было разработано несколько уникальных технологий, позволяющих выращивать монокристаллы вольфрама, огромные вольфрамовые тигли (весом до 6 кг). Последние широко применяются для получения дорогих сплавов.

История лампы накаливания

Сегодня представить жизнедеятельность человека без использования ламп накаливания. Непрерывное развитие области приборов освещения давно привело к разработке альтернативных источников света – люминесцентных и диодных ламп, но по некоторым параметрам им пока не удалось превзойти простую «лампочку Ильича».

Первые лампы накаливания

В начале, нужно разобраться в том, кто изобрел лампу накаливания? История лампы накаливания довольно запутана и ее появление связано с разными изобретениями сразу нескольких ученых.
Согласно традиционной версии, история лампы накаливания началась в далеком 1872 году в тот момент, когда русский ученый А. Н. Лодыгин придумал пропустить электрический ток через угольный стержень.
Он поместил стержень в безвоздушное пространство стеклянной прозрачной колбы. С увеличением силы тока увеличивалась и интенсивность светоотдачи, пока не произошло достижение температуры плавления, и лампа погасла. Таким образом, он установил оптимальные режимы работы для первых ламп накаливания и уже спустя год – в 1873 г. в Санкт-Петербурге было продемонстрировано несколько фонарей с такими лампами.
В то же самое время одновременно с Лодыгиным разработками лампы накаливания занимался американский ученый Томас Эдисон. Именно он в 1879 году получил патент на изобретение лампы накаливания с угольной нитью. По этой причине именно его называют «отцом лампы накаливания». Однако, как и в случае со многими другими открытиями, лампу изобрели в разных странах почти в одно время, по этой причине нельзя с полной уверенностью одного человека назвать автором.
В процессе работы над модернизацией лампы с угольной нитью, Лодыгин в 1890 году предлагает сменить нить накаливания на металлическую, созданную из тугоплавкого металла – вольфрама. В вольфрам выгодно отличается от остальных проводящих электрический ток материалов довольно высокой температурой плавления – примерно 3410°C.
Эдисон в этой время тоже не бездельничал. Он предложил применять в конструкции ламп придуманную им резьбовую систему патрон-цоколь. Данная конструкция используется и сегодня, практически в неизменном виде. Сегодня цоколь в лампах накаливания маркируют «Е-XX», где «Е» - цоколь Эдисона (Edison Screw), а «XX» - наружный диаметр в мм. Наибольшей популярностью пользуются цоколи Е27 и Е14.
В 1910 году американский физик Ленгмюр совершил еще одно открытие. Он предложил заменить ровную вольфрамовую нить на скрученную в тонкую спираль. Таким образом, удалось уменьшить размеры стеклянной колбы, продлить период эксплуатации, а также повысить уровень светоотдачи.

Устройство лампы накаливания

Современная лампа накаливания хоть и кажется простой, но соединяет в себе большое количество изобретений и открытий. Для создания спирали накаливания сегодня помимо довольно дорогого вольфрама применяют осмий или комбинацию этих металлов. Колбу перестали делать просто вакуумной. Довольно часто она заполнена одним из инертных газов (аргоном, криптоном, ксеноном).
Такое решение дало возможность ликвидировать давление атмосферы на вакуумированную колбу, и продлить общий срок эксплуатации лампы накаливания. Как известно, при прохождении электрического тока через вольфрамовую спираль, происходит ее нагрев и свечение. Когда нагрев достигает очень высоких температур (около 2900°С) в колбе без воздуха происходит интенсивное испарение вольфрама, он начинает оседать на стекле. Со временем стекло теряет прозрачность, и уровень интенсивности светоотдачи снижается, а период эксплуатации нити уменьшается.
Поскольку смотреть на яркий свет прозрачной лампы накаливания довольно сложно, промышленность выпускает не только прозрачные колбы, но и матовые. В матовых колбах свет несколько рассеянный и более мягкий, однако, имеет меньшую интенсивность.

Характеристики ламп накаливания

Самыми главными характеристиками ламп накаливания являются:

световой поток – физический показатель, который характеризирует количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения
световая отдача представляет собой отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. Эта величина измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Фактически – это показатель эффективности и экономичности источников света
люмен является единицей измерения светового потока, то есть световой величиной.

Кроме этого, важными характеристиками являются:

диапазон мощностей. В быту достаточно мощности от 25 до 150 Вт. Для промышленных целей используют лампы мощностью до 1000 Вт
температура накала вольфрамовой нити колеблется на уровне 3000 градусов
уровень световой отдачи составляет от 9 до 19 Лм/ 1 Вт. Например, световой поток лампы накаливания мощностью 40 Вт колеблется от 415 до 460 Лм
показатель номинального напряжения составляет 220-230 В и 127 В
частота – 50 Гц;
габариты цоколя – 14 мм (E14), 27 мм (E27) и 40 мм (E40);
период эксплуатации в условиях нормального напряжения составляет примерно 1000 часов (220В) и 2500 часов (127 В)
цоколь может быть резьбовым, штифтовым одно- и двухконтактным.

Типы ламп накаливания

На сегодняшний день существует широкий ассортимент лампочек, которые разделяются по следующим признакам:

форма колбы (шарообразная, цилиндрическая, трубчатая, шароконическая и т.д.);
покрытие колбы (прозрачное, зеркальное, матовое);
назначение (общее, местное, кварцевогалогенные);
наполнитель колбы (вакуум, аргон, ксенон, криптон, галоген и т.д.).

По наполнителю колбы бывают:

вакуумные – заполненные вакуумом
аргоновые - заполненные азот-аргоновой смесью
криптоновые. Такие лампы на 10% ярче аргоновых
ксеноновые – в 2 раза ярче аргоновых
галогенные – имеют в своем составе I или Br. Кроме этого, они отличаются длительным периодом службы, а их свет в 2,5 раза ярче аргоновых
галогенные с двумя колбами. Это улучшенный вариант предыдущих ламп, вследствие более высокого нагрева внутренней колбы
ксенон-галогенные в своем составе имеют Xe + I или Br и излучают в 3 раза более яркий свет, чем аргоновые
ксенон-галогенные, имеющие отражатель ИК-излучения
накаливания с покрытием, которое преобразует ИК-излучение в видимый диапазон. Это самая последняя разработка.

Достоинства

Электрические лампы накаливания имеют много преимуществ. Однако, самое главное заключается в их низкой стоимости. Сравнение ламп накаливания со светодиодными лампами наглядно это показывает. Кроме этого, можно выделить следующие достоинства:

не теряют функциональности в условиях работы при низких температурах, поэтому активно используются для создания уличного освещения
незначительные скачки напряжения не являются причиной выхода из строя лампы
работают даже при очень низком напряжении (но интенсивность освещения снижается)
широкий выбор разновидности и мощности изделий, вследствие чего вы сможете выбрать необходимый вам вариант
хорошо работают в условиях высокой влажности
подключение к сети без дополнительного оборудования
более безопасны, чем газозарядные. К примеру, в случае повреждения энергосберегающей лампы, нужно срочно провести комплекс мероприятий, включающих проветривание помещения и химическую обработку поверхности.

Главным недостатком можно назвать низкую световую отдачу и преобладание красных и желтых оттенков в спектре. Кроме этого выделим:

Читайте также: