ГЛАВА XV
СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
§ 15.1. Лампы накаливания
Действие электрических ламп накаливания основано на принципе теплового излучения. Сущность явления теплового излучения состоит в том, что твердое тело при его нагревании выделяет лучистую энергию всех длин волн (сплошной спектр). При низких температурах телом излучаются почти исключительно невидимые инфракрасные лучи, длина волны которых больше, чем у световых лучей. По мере повышения температуры происходит не только увеличение излучаемой телом лучистой энергии, но и изменение состава спектра. При этом быстро увеличивается видимое излучение, световые лучи которого имеют более короткие волны. Тело начинает светиться сначала вишнево-красным, затем красным, оранжевым и, наконец, белым светом. Получение света в лампах накаливания осуществляется при помощи тугоплавкого металла—вольфрама при нагревании электрическим током до температуры 2200—3000° К. Источники света, основанные на тепловом излучении, имеют низкий коэффициент полезного действия.
В современных лампах накаливания малой мощности только до 7% потребляемой энергии превращается в видимый свет, а в лампах большей мощности—10%. Остальная часть электрической энергии затрачивается на невидимые глазом излучения и тепловые потери1. Однако электрические лампы накаливания вследствие простоты их конструкции, дешевизны и удобства в эксплуатации получили широкое применение в осветительных установках.
1 Величина к. п. д. в действительности почти вдвое ниже приведенных величин, так как основная часть видимого излучения падает на долю крайнего длинноволнового участка видимого спектра, почти невоспринимаемого глазом.
Устройство современной нормальной лампы накаливания показано на рис. 15.1.
Лампы накаливания с вольфрамовой нитью изготовляются двух видов:
а) пустотные (вакуумные), из колб которых откачан воздух;
б) газонаполненные, колба которых после откачки воздуха заполняется инертным газом — смесью азота и аргона или редкими газами — криптоном и ксеноном.
Пустотные лампы изготовляются отечественной промышленностью только на небольшие мощности (до 60 вт). Это объясняется тем, что при нахождении газа в лампе с небольшим диаметром колбы и при сравнительно большой длине нити накала возникали бы лишние тепловые потери посредством конвекции. Лампы накаливания большей мощности изготовляются газонаполненными. Наличие газа в колбе лампы создает условия для повышения температуры накала нити и увеличения светового потока. Газ, окружая раскаленную нить, замедляет ее распыление, что повышает срок службы лампы.
Однако повышение температуры накала нити имеет предел, обусловленный температурой плавления материала (температура плавления вольфрама 3400°С). Лампы, заполненные криптоноксеноновой смесью, могут иметь наибольшую температуру нити и светоотдачу, однако ввиду трудности получения редких газов они выпускаются пока в ограниченных количествах.
Нити ламп имеют форму спирали, благодаря которой тепловые потери через газовую среду будут наименьшими.
Основными характеристиками ламп накаливания являются: номинальное напряжение, электрическая мощность, световой поток, световая отдача и средняя продолжительность горения.
Номинальным напряжением лампы называется то напряжение, при котором она нормально работает. Обычно это напряжение указывается на цоколе или на колбе лампы. В осветительных установках наибольшее распространение имеют лампы на номинальное напряжение 127 и 220 в. Для местного и ремонтного освещений применяются лампы с номинальным напряжением 12 и 36 в.
Электрическая мощность лампы указывается на цоколе. Световой поток лампы накаливания зависит от величины потребляемой мощности и температуры накала нити.
Рис. 15.1. Современная нормальная лампа накаливания
Из формулы видно, что чем больше световой поток лампы на единицу потребляемой мощности, тем она экономичнее. Световая отдача ламп возрастает с увеличением их мощности и тем выше, чем меньше напряжение, на которое лампа рассчитана. У мощных ламп и у ламп более низкого напряжения диаметр нити накала больше и, следовательно, допускает более высокую температуру.
Технические данные серийных ламп накаливания, изготовляемых в СССР, указаны в ГОСТ 2239—60.
Средний срок службы нормальных ламп составляет 1000 ч горения при условии поддержания неизменного номинального напряжения. При этом в конце срока световой поток, излучаемый лампой, не должен быть ниже 90% номинального значения. Существенно влияют на срок службы изменения напряжения у зажимов лампы.
Таблица 15.1
В табл. 15.1 указываются изменения светового потока, световой отдачи и срока службы ламп в зависимости от подводимого напряжения.
Из табл. 15.1 видно, что при снижении напряжения в сети световая отдача и световой поток значительно уменьшаются, в то время как срок службы возрастает. При увеличении напряжения в сети световая отдача возрастает, а срок службы резко снижается.
Снижение напряжения у ламп по сравнению с номинальным приводит к тому, что спектр излучения меняется. При этом освещаемые предметы кажутся окрашенными в другие цвета. Например, предметы желтого цвета кажутся белыми, темно-синего— черными и т. д. Это явление наблюдается сильнее при маломощных лампах. Поэтому важно для нормальной эксплуатации ламп иметь постоянное напряжение в сети, близкое к номинальному.
Рис. 15.2.
Зеркальная лампа накаливания
Помимо обычных ламп накаливания, применяются зеркальные лампы, которые отличаются формой и конструкцией колбы. На внутренней поверхности колбы около цоколя нанесен зеркальный слой из алюминия, а нижняя часть матирована. Зеркальное покрытие служит хорошим отражателем, благодаря которому более 50% излучаемого светового потока направляется вниз в виде концентрированного снопа света. В зависимости от формы отражающей части колбы можно получить лампы с глубоким или широким светораспределением. Таким образом, зеркальная лампа является одновременно и источником света, и светильником (рис. 15.2). Применение зеркальной лампы без специальной осветительной арматуры для освещения производственных цехов (вследствие возможности механических повреждений) не рекомендуется. Зеркальные лампы выпускаются мощностью 100, 300, 500, 750 и 1000 вт.
В настоящее время начат выпуск ламп накаливания с йодным циклом. В колбах таких ламп содержатся пары йода. Молекулы йода, соприкасаясь со стенками кварцевой колбы, нагретыми до определенной температуры, соединяются с испаряющимися частицами вольфрама и образуют газообразное вещество. Последнее, прикасаясь к раскаленной нити, разлагается на йод и вольфрам, первый вновь включается в цикл работы лампы, а вольфрам опять оседает на нити. Этим достигается увеличение срока службы ламп. Световая отдача этих ламп выше, чем у обычных ламп накаливания.
Лампы с йодным циклом пока не получили широкого распространения ввиду высокой стоимости и сложности изготовления.
Достоинства и недостатки ламп накаливания
Электрическая лампа накаливания, оставаясь до настоящего времени основным источником искусственного освещения, имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинства лампы накаливания:
- одинаково нормальная работа при питании ее от источника переменного или постоянного тока;
- практически мгновенное зажигание при ее включении, независимо от температуры внешней среды;
- незначительные размеры и в зависимости от условий применения возможность изготовления любой формы;
- невысокая стоимость вследствие простоты конструкции и изготовления;
- простота в эксплуатации.
Основные недостатку ламп накаливания:
- значительная чувствительность к колебаниям напряжения з сети;
- незначительный срок службы (порядка 1000 ч);
- низкий коэффициент полезного действия (1,5—3%);
- незначительная световая отдача;
- затруднение в определении цветов при освещении этими лампами.
