Лампы накаливания

Принцип работы ламп накаливания

Свет, излучаемый лампами накаливания, формируется за счет нагревания под воздействием тока накаливаемого тела до высокой температуры. Законы излучения тепла довольно сложны и изучались физиками разных поколений на примере условного «абсолютно черного тела» как простейшего излучателя. Вот основные нюансы, знание которых нужно для правильного понимания принципов работы ламп накаливания:

1. Насыщенность излучения нагретого тела прямо пропорциональна четвертой степени температуры, до которой оно нагрето.
2. Тепловое излучение имеет сплошной спектр.
3. Максимальная насыщенность излучения нагретого тела определяется его температурой.

Из этих трех пунктов следует, что чем больше температура тела накаливания, тем насыщеннее, то есть ярче формируемый им световой поток.

Для максимальной эффективности формируемого излучения его максимум должен находиться в пределах видимой человеком части спектра, что достигается при температурах от 3 800 до 7 600 К. Но на Земле не существует металлов, способных оставаться твердыми при воздействии таких температур, так, температура плавления вольфрама, являющегося наиболее тугоплавким металлом, составляет около 3 600 К. Доказано, что светоотдача формируемого вольфрамом излучения при температуре его плавления составляет 53,5 лм/Вт, что является теоретическим пределом светоотдачи, которой могли бы достигнуть лампы накаливания при отсутствии потерь.

Накаливаемые тела всех ламп накаливания (чаще всего это нити накаливания) изготавливаются из вольфрама. При этом чем сильнее нагревается вольфрам, тем эффективнее будет лампа, и тем выше будет ее светоотдача. Однако при увеличении температуры вольфрам будет быстрее испаряться даже в твердом состоянии, сокращая при этом продолжительность службы лампы. По этой причине технические характеристики ламп накаливания, а также длина и толщина накаливаемого тела подбираются в виде компромисса между эффективностью и желаемым сроком службы лампы, вследствии чего лампы накаливания работают почти на пределе возможностей.
Увеличивая светоотдачу путем повышения напряжения, срок службы ламп заметно сокращается. Даже при увеличении напряжения на пять процентов, а подобные скачки напряжения в наших электросетях не редкость, продолжительность службы ламп накаливания сокращается в три раза.

Важно иметь в виду, что сопротивление вольфрама, как и других чистых металлов, повышается при нагревании и при достижении температуры 2500–3200 К отличается от сопротивления в охлажденном состоянии в 12–20 раз. Это обуславливает сильные скачки тока при запуске ламп, так как в момент запуска ток может в 20 раз превышать номинальное значение. Продолжительность такого скачка составляет всего 0,1–0,2 сек., однако формирует высокие нагрузки на электросеть. По причине таких скачков тока лампы накаливания выходят из строя чаще всего в момент запуска.

Тепловые лампы являются первым электрическим источником света. Они заслужили доверие, их преимущества оценены не одним поколением пользователей. Но имеющиеся очевидные недостатки, перекрытые иными источниками света, приводят к постепенному выводу их из эксплуатации.