Мы подготовили для Вас несколько сообщений про лампы накаливания. В наших докладах есть краткая информация об истории возникновения лампочки, ее устройстве и принципах работы. Используйте данный материал для подготовки школьных рефератов (4- 6 класс)
Доклад 1
Содержание:
Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.
Принцип действия
В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Конструкция
Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды.
Колба
Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Буферный газ
Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)
Нить накала
Нить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.
Назначение лампы
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет 40—50 микрон. Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.
КПД и долговечность
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне, и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим уменьшается время жизни на 95 %. Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
Доклад 2
Лампа накаливания – источник света, который излучает световой поток в результате накала проводника из тугоплавкого металла. В качестве нити накала используется тугоплавкий металл – вольфрам, а также его сплавы. Нить накала помещена в стеклянный сосуд, наполненный инертным газом (криптоном, азотом, аргоном). Инертный газ служит защитой нити накаливания, которая без его присутствия в колбе мгновенно превратилась бы в оксид. Для ламп накаливания малой мощности (25 ватт) применяют вакуумные сосуды, которые не заполняются инертным газом. Следовательно, стеклянная колба препятствует негативному воздействию атмосферного воздуха на вольфрамовую нить.
Принцип действия лампы накаливания основан на явлении нагрева проводника при прохождении через него электрического тока. Вольфрамовая нить накала при подключении к источнику тока раскаляется до высокой температуры, в результате чего излучает свет. Световой поток, излучаемый нитью накала, близок к естественному, дневному свету, поэтому не вызывает дискомфорта при длительном использовании.
Достоинства и недостатки ламп накаливания
Из достоинств ламп накаливания можно выделить следующее:
1. относительно невысокая стоимость;
2. мгновенное зажигание при включении;
3. небольшие габаритные размеры;
4. широкий диапазон мощностей.
Один из недостатков ламп накаливания — большая яркость самой лампы, что негативно воздействует на зрение при взгляде на лампу. Но этот недостаток можно быстро устранить — достаточно применить рассеиватель.
Существенный недостаток — небольшой срок службы лампы — до 1000 часов. Исходя из опыта использования ламп, можно отметить, что в большинстве случаев лампа накаливания выходит из строя, не прослужив и нескольких сотен часов. Бывают и исключения — лампы работают несколько десятков лет! К сожалению это лишь единичные случаи. Относительно срока службы, как энергосберегающие лампы, так и светодиодные лампы выигрывают.
Если учесть тот факт, что характеристики питающей сети не соответствуют номинальным — срок службы ламп существенно снижается независимо от их типа. Делать выводы о целесообразности использования того или иного типа ламп можно только на основании личного опыта.
Основным недостатком ламп накаливания является низкий коэффициент полезного действия. Только лишь десятая часть потребляемой лампой электрической энергии преобразуется в видимый световой поток; большинство электрической энергии преобразуется в тепловую энергию.
Доклад 3
Сегодня сложно встретить человека, который бы ничего не знал о лампах накаливания, даже несмотря на прогресс и на изобилие других видов осветительных приборов. «Лампы Ильича» — так в народе прозвали самые обыкновенные и популярные осветительные приборы, которые по сей день пользуются большим спросом у народа. Безусловно, современный рынок светотехники предлагает огромный ассортимент альтернативных ламп, но даже новые устройства не могут в некоторых параметрах превзойти лампы накаливания.
История
Процесс возникновения и распространения лампочек накаливания был довольно долгим и запутанным, а вклад в изобретение вложил не один ученый-изобретатель. Принятая с течением времени история появления повествует о том, что возникновение «лампочек Ильича» произошло в 1872 году благодаря русскому ученому Александру Николаевичу Лодыгину. Именно он впервые провел ток сквозь стержень из угля, который размещался в вакууме колбы, сделанной из стекла. При этом происходила большая светоотдача из-за возрастания силы тока, превышение температур плавления с последующим угасанием лампочки. На основе данного опыта были определены подходящие для функционирования лампочек режимы, а 1873 году они впервые использовались на санкт-петербургских улицах.
Именно в этот же период времени к разработке лампочек приступил Томас Эдисон, который в дальнейшем получил на них патент. Именно после этого его стали называть «отцом» самых первых электрических ламп. Но нельзя точно утверждать, кто совершил данное открытие первым, поскольку прибор был изобретен одновременно в разных странах. Зато Александру Николаевичу Лодыгину с большой вероятностью принадлежит идея замены угольной нити на вольфрамовую, которая обладает высокой температурой плавления (3410 ⁰С). В этот же период времени Томас Эдисон внес свой вклад, создав резьбовую систему «патрон-цоколь», которая дожила до наших дней практические никак не изменившись. Именно буква E в маркировке современных цоколей говорит о том, что их изобретателем был американский ученый Эдисон (Е — Edison Screw). Самыми популярными типами цоколя в России и Европе являются Е27 и Е14, а в Америке используются другие, поскольку напряжение сетей различается. Спустя 20 лет еще один американский ученый воплотил в жизнь идею замены нити спиралью, благодаря чему уменьшились габариты лампочки, улучшилась работа и увеличилась световая отдача.
Устройство
Лампа накаливания только на первых порах для непрофессионального человека может показаться простой и незамысловатой, но это не так. Данный осветительный прибор – это совокупность различных научных достижений в области светотехники. На сегодняшний день спираль накаливания может быть не только вольфрамовой. Сейчас материалом изготовления также служит осмий, а также осмиевые соединения. Кроме того, колба сегодня перестает быть вакуумной и заполняется различными инертными газами. Именно данное нововведение помогло избежать сильное атмосферное давление на лампу, значительно увеличив продолжительность ее работы. Ведь ток, проходя через спираль, провоцирует ее сильный нагрев (до 2900 ⁰С) и активное испарение вольфрама, с его последующим оседанием на стекле. Следовательно, колба со временем перестает быть прозрачной, уменьшается ее светоотдача, понижается срок службы нити.
Лампы накаливания отличаются слишком ярким светом желтого цвета, что вызывает дискомфорт. Именно поэтому производители выпускают не только с прозрачные лампочки, но и матовые. Такое стекло рассеивает свет, делая его мягким при небольшой потере интенсивности.
Правильный выбор лампочек накаливания
Несмотря на большую популярность данной лампочки, правильный ее выбор пока еще могут сделать не все. Нередко бывает, что после покупки прибор отработал пару суток и перегорел. Но бывает и такое, что лампочка может светить в течение нескольких лет. Все это зависит от того, насколько правильно вы выбираете осветительный прибор. При покупке необходимо обращать внимание на следующие аспекты:
1) стекло не должно иметь никаких микровключений, поскольку именно их отсутствие обеспечивает надежность колбы. Качество материала легко проверяется несильными постукиваниями пальцем по колбе. Издаваемый звук должен отличаться приглушенностью;
2) металлический цоколь должен быть без любых повреждений. Нижний контакт может быть как широким (до 7 мм), так и узким (около 5 мм). Первый вариант наиболее приемлемый, поскольку обеспечивается наиболее плотный контакт. Но современные лампочки чаще всего производятся с наличием узкого контакта;
3) в зонах приклеивания не должны образовываться отверстия;
4) соединение внешнего токопровода и цоколя должно осуществлять обыкновенной пайкой. Также возможно применение точеной сварки;
5) в пайке главное – маленькие размеры и аккуратность, а также надежность крепления;
исключено провисание спирали (наличие провисания означает неоднократное использование лампы).
Кроме вышеперечисленных аспектов, необходимо уделить большое внимание обжиму спирали в области ее крепления к электродам. Если обжим был недостаточным, то срок службы прибора резко снижается.
