Лампа накаливания: принцип работы и история развития

Введение

Электрическая лампочка с резистивно нагретой проволочной нитью.

Лампа накаливания, или световой источник с нитью накала, – это электрический светильник с нитью, которая нагревается до свечения. Нить заключена в стеклянную колбу, из которой удален воздух или которая заполнена инертным газом для защиты нити от окисления. Электрический ток подводится к нити через контакты или провода, встроенные в стекло. Цоколь обеспечивает механическую поддержку и электрическое соединение. Лампы накаливания производятся в широком диапазоне размеров, светового потока и номинального напряжения – от 1,5 до примерно 300 вольт. Они не требуют внешнего регулирующего оборудования, имеют низкую стоимость производства и одинаково хорошо работают как от переменного, так и от постоянного тока. В результате лампа накаливания получила широкое распространение в бытовом и коммерческом освещении, для переносных светильников, таких как настольные лампы, автомобильные фары и фонарики, а также для декоративного и рекламного освещения. Лампы накаливания значительно менее эффективны, чем другие типы электрического освещения. Менее 5% потребляемой ими энергии преобразуется в видимый свет, а остальное теряется в виде тепла. Световая отдача типичной лампы накаливания при напряжении 120 В составляет 16 люмен на ватт (лм/Вт), по сравнению с 60 лм/Вт для компактной люминесцентной лампы или 100 лм/Вт для типичных белых светодиодных ламп. Тепло, выделяемое нитью, используется в некоторых областях применения, таких как тепловые лампы в инкубаторах, лавовые лампы и игрушка Easy Bake Oven. Кварцевые галогеновые инфракрасные обогреватели применяются в промышленных процессах, таких как сушка краски и обогрев помещений. Лампы накаливания обычно имеют небольшой срок службы по сравнению с другими типами освещения: около 1000 часов для бытовых ламп против обычно 10 000 часов для компактных люминесцентных ламп и 20 000–30 000 часов для светодиодных ламп. Большинство ламп накаливания можно заменить на люминесцентные лампы, лампы высокого давления и светодиодные лампы (LED). Некоторые правительства начали поэтапный отказ от ламп накаливания для снижения энергопотребления.

An incandescent light bulb, incandescent lamp or incandescent light globe is an electric light with a filament that is heated until it glows. The filament is enclosed in a glass bulb that is either evacuated or filled with inert gas to protect the filament from oxidation. Electric current is supplied to the filament by terminals or wires embedded in the glass. A bulb socket provides mechanical support and electrical connections. Incandescent bulbs are manufactured in a wide range of sizes, light output, and voltage ratings, from 1.5 volts to about 300 volts. They require no external regulating equipment, have low manufacturing costs, and work equally well on either alternating current or direct current. As a result, the incandescent bulb became widely used in household and commercial lighting, for portable lighting such as table lamps, car headlamps, and flashlights, and for decorative and advertising lighting. Incandescent bulbs are much less efficient than other types of electric lighting. Less than 5% of the energy they consume is converted into visible light; the rest is lost as heat. The luminous efficacy of a typical incandescent bulb for 120 V operation is 16 lumens per watt (lm/W), compared with 60 lm/W for a compact fluorescent bulb or 100 lm/W for typical white LED lamps. The heat produced by filaments is used in some applications, such as heat lamps in incubators, lava lamps, and the Easy Bake Oven toy. Quartz envelope halogen infrared heaters are used for industrial processes such as paint curing and space heating. Incandescent bulbs typically have short lifetimes compared with other types of lighting; around 1,000 hours for home light bulbs versus typically 10,000 hours for compact fluorescents and 20,000–30,000 hours for lighting LEDs. Most incandescent bulbs can be replaced by fluorescent lamps, high intensity discharge lamps, and light emitting diode lamps (LED). Some governments have begun a phase out of incandescent light bulbs to reduce energy consumption.

Ранние докоммерческие исследования

В 1761 году Эбенезер Киннерсли продемонстрировал нагрев проволоки до накаливания. Однако такие проволоки имели тенденцию очень быстро плавиться или окисляться (сгорать) в присутствии воздуха. Лаймлайт стал популярной формой сценического освещения в начале 19 века, благодаря нагреву куска оксида кальция до накаливания при помощи оксиводородной горелки. В 1802 году Хамфри Дэви использовал то, что он описал как "батарею огромных размеров", состоящую из 2000 элементов, размещенных в подвале Королевского института Великобритании, для создания лампы накаливания, пропуская ток через тонкую полоску платины, выбранную из-за исключительно высокой температуры её плавления. Она была недостаточно яркой и не работала достаточно долго, чтобы быть практичной, но послужила основой для усилий множества экспериментаторов в течение следующих 75 лет. Дэви также продемонстрировал электрическую дугу, пропуская сильный ток между двумя кусками древесного угля. В течение последующих 40 лет значительные исследования были посвящены превращению угольной дуговой лампы в практическое средство освещения. Сама угольная дуга была тусклой и фиолетовой, излучая большую часть энергии в ультрафиолетовом диапазоне, но положительный электрод нагревался почти до точки плавления углерода и ярко светился накаливанием, близким к солнечному свету. Угольные лампы очень быстро выжигали угольные стержни, выделяли опасный угарный газ и, как правило, потребляли десятки киловатт мощности. Поэтому они были пригодны только для освещения больших площадей, и исследователи продолжали искать способ создания ламп, подходящих для домашнего использования. В течение первых трех четвертей 19 века многие экспериментаторы работали с различными комбинациями платиновых или иридиевых проволок, угольных стержней и эвакуированных или частично эвакуированных корпусов. Многие из этих устройств были продемонстрированы, а некоторые запатентованы. В 1835 году Джеймс Боуман Линдси продемонстрировал постоянный электрический свет на публичном собрании в Данди, Шотландия. Он заявил, что может "читать книгу на расстоянии полутора футов". Однако он не продолжил разработку электрического освещения. В 1838 году бельгийский литограф Марселин Жобар изобрел лампу накаливания с вакуумной атмосферой, используя углеродную нить. В 1840 году британский ученый Уоррен Де ла Рю поместил скрученную платиновую нить в вакуумную трубку и пропустил через нее электрический ток. Конструкция основывалась на предположении, что высокая температура плавления платины позволит ей работать при высоких температурах, а эвакуированная камера будет содержать меньше молекул газа, способных реагировать с платиной, увеличивая срок её службы. Несмотря на работоспособность конструкции, стоимость платины делала её непрактичной для коммерческого использования. В 1841 году Фредерик де Молейнс из Англии получил первый патент на лампу накаливания, в которой использовались платиновые проволоки, помещенные в вакуумную колбу. Он также использовал углерод. В 1845 году американец Джон У. Старр запатентовал лампу накаливания с углеродными нитями. Его изобретение так и не было запущено в коммерческое производство. В 1851 году Жан Эжен Робер Уден публично продемонстрировал лампы накаливания на своем поместье в Блуа, Франция. Его лампы выставлены в музее замка Блуа. В 1859 году Мозес Г. Фармер построил электрическую лампу накаливания с платиновой нитью. Томас Эдисон позже увидел одну из этих ламп в магазине в Бостоне и попросил у Фармера совета по бизнесу в области электрического освещения. В 1872 году русский Александр Лодыгин изобрел лампу накаливания и получил российский патент в 1874 году. Он использовал в качестве нагревательного элемента два угольных стержня уменьшенного сечения в стеклянном сосуде, герметично запечатанном и заполненном азотом, электрически соединенных таким образом, чтобы ток переходил ко второму угольному стержню после выгорания первого. Позже он переехал в США, сменил имя на Александр де Лодигуин и подал заявки на патенты на лампы накаливания с нитями из хрома, иридия, родия, рутения, осмия, молибдена и вольфрама, а лампочка с молибденовой нитью была продемонстрирована на Всемирной выставке 1900 года в Париже. 24 июля 1874 года Генри Вудвард и Мэтью Эванс подали канадский патент на лампу, состоящую из угольных стержней, установленных в стеклянном цилиндре, заполненном азотом. Им не удалось коммерциализировать свою лампу, и в 1879 году они продали права на свой патент Томасу Эдисону (Эдисону принадлежание нового заявления о лампах, соединенных параллельной схемой, было необходимо). 4 марта 1880 года, всего через пять месяцев после лампы Эдисона, Алессандро Круто создал свою первую лампу накаливания. Круто получил нить путем осаждения графита на тонкие платиновые нити, нагревая их электрическим током в присутствии газообразного этилового спирта. Нагрев этой платины при высоких температурах оставляет тонкие нити платины, покрытые чистым графитом. К сентябрю 1881 года он добился успешной версии этой первой синтетической нити. Лампочка, изобретенная Круто, проработала пятьсот часов, в то время как оригинальная версия Эдисона – сорок. На Мюнхенской электрической выставке 1882 года в Баварии, Германия, лампа Круто была более эффективной, чем лампа Эдисона, и давала лучший, белый свет. В 1893 году Генрих Гёбель заявил, что спроектировал первую лампу накаливания в 1854 году, с тонкой обугленной бамбуковой нитью с высоким сопротивлением, платиновыми проводниками в стеклянной оболочке и высоким вакуумом. Судьи четырех судов выразили сомнения в предполагаемом предшествовании Гёбеля, но окончательного решения по делу не было вынесено из-за истечения срока действия патента Эдисона. Исследование, опубликованное в 2007 году, пришло к выводу, что история ламп Гёбеля в 1850-х годах является вымышленной.

In 1761, Ebenezer Kinnersley demonstrated heating a wire to incandescence. However such wires tended to melt or oxidize very rapidly (burn) in the presence of air. Limelight became a popular form of stage lighting in the early 19th century, by heating a piece of calcium oxide to incandescence with an oxyhydrogen torch. In 1802, Humphry Davy used what he described as "a battery of immense size", consisting of 2,000 cells housed in the basement of the Royal Institution of Great Britain, to create an incandescent light by passing the current through a thin strip of platinum, chosen because the metal had an extremely high melting point. It was not bright enough nor did it last long enough to be practical, but it was the precedent behind the efforts of scores of experimenters over the next 75 years. Davy also demonstrated the electric arc, by passing high current between two pieces of charcoal. For the next 40 years much research was given to turning the carbon arc lamp into a practical means of lighting. The carbon arc itself was dim and violet in color, emitting most of its energy in the ultraviolet, but the positive electrode was heated to just below the melting point of carbon and glowed very brightly with incandescence very close to that of sunlight. Arc lamps burned up their carbon rods very rapidly, expelled dangerous carbon monoxide, and tended to produce outputs in the tens of kilowatts. Therefore, they were only practical for lighting large areas, so researchers continued to search for a way to make lamps suitable for home use. Over the first three quarters of the 19th century, many experimenters worked with various combinations of platinum or iridium wires, carbon rods, and evacuated or semi evacuated enclosures. Many of these devices were demonstrated and some were patented. In 1835, James Bowman Lindsay demonstrated a constant electric light at a public meeting in Dundee, Scotland. He stated that he could "read a book at a distance of one and a half feet". However he did not develop the electric light any further. In 1838, Belgian lithographer Marcellin Jobard invented an incandescent light bulb with a vacuum atmosphere using a carbon filament. In 1840, British scientist Warren De la Rue enclosed a coiled platinum filament in a vacuum tube and passed an electric current through it. The design was based on the concept that the high melting point of platinum would allow it to operate at high temperatures and that the evacuated chamber would contain fewer gas molecules to react with the platinum, improving its longevity. Although a workable design, the cost of the platinum made it impractical for commercial use. In 1841, Frederick de Moleyns of England was granted the first patent for an incandescent lamp, with a design using platinum wires contained within a vacuum bulb. He also used carbon. In 1845, American John W. Starr patented an incandescent light bulb using carbon filaments. His invention was never produced commercially. In 1851, Jean Eugène Robert Houdin publicly demonstrated incandescent light bulbs on his estate in Blois, France. His light bulbs are on display in the museum of the Château de Blois. In 1859, Moses G. Farmer built an electric incandescent light bulb using a platinum filament. Thomas Edison later saw one of these bulbs in a shop in Boston, and asked Farmer for advice on the electric light business. In 1872, Russian Alexander Lodygin invented an incandescent light bulb and obtained a Russian patent in 1874. He used as a burner two carbon rods of diminished section in a glass receiver, hermetically sealed, and filled with nitrogen, electrically arranged so that the current could be passed to the second carbon when the first had been consumed. Later he lived in the US, changed his name to Alexander de Lodyguine and applied for and obtained patents for incandescent lamps having chromium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, molybdenum and tungsten filaments, and a bulb using a molybdenum filament was demonstrated at the world fair of 1900 in Paris. On 24 July 1874, a Canadian patent was filed by Henry Woodward and Mathew Evans for a lamp consisting of carbon rods mounted in a nitrogen filled glass cylinder. They were unsuccessful at commercializing their lamp, and sold rights to their patent to Thomas Edison in 1879. (Edison needed ownership of the novel claim of lamps connected in a parallel circuit). On 4 March 1880, just five months after Edison's light bulb, Alessandro Cruto created his first incandescent lamp. Cruto produced a filament by deposition of graphite on thin platinum filaments, by heating it with an electric current in the presence of gaseous ethyl alcohol. Heating this platinum at high temperatures leaves behind thin filaments of platinum coated with pure graphite. By September 1881 he had achieved a successful version of this the first synthetic filament. The light bulb invented by Cruto lasted five hundred hours as opposed to the forty of Edison's original version. In 1882 Munich Electrical Exhibition in Bavaria, Germany Cruto's lamp was more efficient than the Edison's one and produced a better, white light. In 1893, Heinrich Göbel claimed he had designed the first incandescent light bulb in 1854, with a thin carbonized bamboo filament of high resistance, platinum lead in wires in an all glass envelope, and a high vacuum. Judges of four courts raised doubts about the alleged Göbel anticipation, but there was never a decision in a final hearing due to the expiration of Edison's patent. A research work published in 2007 concluded that the story of the Göbel lamps in the 1850s is fictitious.

Углеродные волокна и вакуум

Джозеф Суон (1828–1914) — британский физик и химик. В 1850 году он начал работать с карбонизированными бумажными нитями в эвакуированной стеклянной колбе. К 1860 году он смог продемонстрировать рабочее устройство, но отсутствие хорошего вакуума и достаточного количества электроэнергии привели к короткому сроку службы лампы и неэффективному источнику света. К середине 1870-х годов стали доступны более совершенные насосы, и Суон вернулся к своим экспериментам. С помощью Чарльза Стерна, эксперта по вакуумным насосам, в 1878 году Суон разработал метод обработки, предотвращающий потемнение лампы. В 1880 году он получил британский патент. 18 декабря 1878 года лампа с тонким угольным стержнем была продемонстрирована на заседании Ньюкаслского химического общества, а 17 января 1879 года Суон представил рабочую демонстрацию на их заседании. Она также была показана 700 зрителям, присутствовавшим на заседании Литературного и философского общества Ньюкасла-на-Тайне 3 февраля 1879 года. В этих лампах использовался угольный стержень от дуговой лампы, а не тонкая нить. Таким образом, они имели низкое сопротивление и требовали очень толстых проводников для подачи необходимого тока, что делало их непрактичными для коммерческого использования, хотя они и демонстрировали возможности ламп накаливания с относительно высоким вакуумом, угольным проводником и платиновыми выводами. Эта лампа работала около 40 часов. В 1881 году Савойский театр в Лондоне, в районе Вестминстер, был освещен лампами накаливания Суона, что сделало его первым театром и первым общественным зданием в мире, полностью освещенным электричеством. Первой улицей в мире, освещенной лампой накаливания, стала улица Мосли в Ньюкасле-на-Тайне, Великобритания. Она была освещена лампой накаливания Джозефа Суона 3 февраля 1879 года. В 1878 году Томас Эдисон начал серьезные исследования по разработке практичной лампы накаливания. 14 октября 1878 года Эдисон подал свою первую заявку на патент на «Усовершенствование электрических ламп». После многочисленных экспериментов, сначала с углеродом в начале 1880-х годов, а затем с платиной и другими металлами, Эдисон в конечном итоге вернулся к угольной нити. Первая успешная проверка была проведена 22 октября 1879 года и продолжалась 13,5 часов. Эдисон продолжал совершенствовать конструкцию и 4 ноября 1879 года подал заявку на патент США на электрическую лампу с использованием «угольной нити или полосы, скрученной и соединенной с платиновыми контактными проводами». В патенте описывались различные способы создания угольной нити, включая использование «хлопчатобумажной и льняной пряжи, деревянных щепок, бумаги, скрученной различными способами». В 1880 году пароход компании Oregon Railroad and Navigation Company, «Колумбия», стал первым судном, оснащенным лампами накаливания Эдисона (и первым судном, использовавшим динамо). Альбон Мэн, нью-йоркский адвокат, основал в 1878 году компанию Electro Dynamic Light Company для коммерциализации своих патентов и патентов Уильяма Сойера. Через несколько недель была организована компания United States Electric Lighting Company. Эта компания осуществила свою первую коммерческую установку ламп накаливания только осенью 1880 года в Mercantile Safe Deposit Company в Нью-Йорке, примерно через шесть месяцев после установки ламп накаливания Эдисона на «Колумбии». Хирам С. Максим был главным инженером компании United States Electric Lighting Company. После большого успеха в Соединенных Штатах лампы накаливания, запатентованные Эдисоном, также начали приобретать широкую популярность в Европе; среди прочего, первые лампы Эдисона в скандинавских странах были установлены в ткацком цехе текстильной фабрики Финляндсона в Тампере, Финляндия, в марте 1882 года. Льюис Латимер, в то время работавший у Эдисона, разработал улучшенный метод термообработки угольных нитей, который снижал их хрупкость и позволял придавать им различные формы, такие как характерная «М»-образная форма нитей Максима. 17 января 1882 года Латимер получил патент на «Процесс производства углерода», улучшенный метод производства нитей для ламп накаливания, который был приобретен компанией United States Electric Light Company. Латимер запатентовал и другие усовершенствования, такие как более эффективный способ крепления нитей к их проволочным держателям. В Великобритании компании Edison и Swan объединились в Edison and Swan United Electric Company (позже известную как Ediswan, и в конечном итоге вошедшую в состав Thorn Lighting Ltd). Эдисон первоначально выступал против этого объединения, но в конечном итоге был вынужден сотрудничать, и слияние состоялось. В конечном итоге Эдисон выкупил долю Суона в компании. Суон продал свои права на патенты в США компании Brush Electric Company в июне 1882 года. 8 октября 1883 года Патентное ведомство США вынесло решение о том, что патенты Эдисона основаны на более ранних разработках Уильяма Сойера и являются недействительными. Судебные разбирательства продолжались несколько лет. В конечном итоге 6 октября 1889 года судья постановил, что требование Эдисона об усовершенствовании электрической лампы, касающееся «углеродной нити с высоким сопротивлением», является действительным. Основной проблемой при создании вакуума в лампах была влага внутри колбы, которая разрушалась при включении лампы, в результате чего кислород атаковал нить. В 1880-х годах ангидрид фосфора использовался в сочетании с дорогими ртутными вакуумными насосами. Однако около 1893 года итальянский изобретатель Итало (1865–1939), не имевший доступа к этим насосам, обнаружил, что пары фосфора эффективно связывают остатки воды и кислорода. Лампы Нернста, вдвое более эффективные, чем лампы с угольной нитью, пользовались кратковременной популярностью, пока их не вытеснили лампы с металлическими нитями.

Joseph Swan (1828–1914) was a British physicist and chemist. In 1850, he began working with carbonized paper filaments in an evacuated glass bulb. By 1860, he was able to demonstrate a working device but the lack of a good vacuum and an adequate supply of electricity resulted in a short lifetime for the bulb and an inefficient source of light. By the mid 1870s better pumps had become available, and Swan returned to his experiments. With the help of Charles Stearn, an expert on vacuum pumps, in 1878, Swan developed a method of processing that avoided the early bulb blackening. This received a British Patent in 1880. On 18 December 1878, a lamp using a slender carbon rod was shown at a meeting of the Newcastle Chemical Society, and Swan gave a working demonstration at their meeting on 17 January 1879. It was also shown to 700 who attended a meeting of the Literary and Philosophical Society of Newcastle upon Tyne on 3 February 1879. These lamps used a carbon rod from an arc lamp rather than a slender filament. Thus they had low resistance and required very large conductors to supply the necessary current, so they were not commercially practical, although they did furnish a demonstration of the possibilities of incandescent lighting with relatively high vacuum, a carbon conductor, and platinum lead in wires. This bulb lasted about 40 hours. In 1881, the Savoy Theatre in the City of Westminster, London was lit by Swan incandescent lightbulbs, which was the first theatre, and the first public building in the world, to be lit entirely by electricity. The first street in the world to be lit by an incandescent lightbulb was Mosley Street, Newcastle upon Tyne, United Kingdom. It was lit by Joseph Swan's incandescent lamp on 3 February 1879. Thomas Edison began serious research into developing a practical incandescent lamp in 1878. Edison filed his first patent application for "Improvement in Electric Lights" on 14 October 1878. After many experiments, first with carbon in the early 1880s and then with platinum and other metals, in the end Edison returned to a carbon filament. The first successful test was on 22 October 1879, and lasted 13.5 hours. Edison continued to improve this design and by 4 November 1879, filed for a US patent for an electric lamp using "a carbon filament or strip coiled and connected to platina contact wires." Although the patent described several ways of creating the carbon filament including using "cotton and linen thread, wood splints, papers coiled in various ways," In 1880, the Oregon Railroad and Navigation Company steamer, Columbia, became the first application for Edison's incandescent electric lamps (it was also the first ship to use a dynamo). Albon Man, a New York lawyer, started Electro Dynamic Light Company in 1878 to exploit his patents and those of William Sawyer. Weeks later the United States Electric Lighting Company was organized. This company did not make their first commercial installation of incandescent lamps until the fall of 1880, at the Mercantile Safe Deposit Company in New York City, about six months after the Edison incandescent lamps had been installed on the Columbia. Hiram S. Maxim was the chief engineer at the United States Electric Lighting Company. After the great success in the United States, the incandescent light bulb patented by Edison also began to gain widespread popularity in Europe as well; among other places, the first Edison light bulbs in the Nordic countries were installed at the weaving hall of the Finlayson's textile factory in Tampere, Finland in March 1882. Lewis Latimer, employed at the time by Edison, developed an improved method of heat treating carbon filaments which reduced breakage and allowed them to be molded into novel shapes, such as the characteristic "M" shape of Maxim filaments. On 17 January 1882, Latimer received a patent for the "Process of Manufacturing Carbons", an improved method for the production of light bulb filaments, which was purchased by the United States Electric Light Company. Latimer patented other improvements such as a better way of attaching filaments to their wire supports. In Britain, the Edison and Swan companies merged into the Edison and Swan United Electric Company (later known as Ediswan, and ultimately incorporated into Thorn Lighting Ltd). Edison was initially against this combination, but Edison was eventually forced to cooperate and the merger was made. Eventually, Edison acquired all of Swan's interest in the company. Swan sold his US patent rights to the Brush Electric Company in June 1882. The United States Patent Office gave a ruling 8 October 1883, that Edison's patents were based on the prior art of William Sawyer and were invalid. Litigation continued for a number of years. Eventually on 6 October 1889, a judge ruled that Edison's electric light improvement claim for "a filament of carbon of high resistance" was valid. The main difficulty with evacuating the lamps was moisture inside the bulb, which split when the lamp was lit, with resulting oxygen attacking the filament. In the 1880s, phosphoric anhydride was used in combination with expensive mercury vacuum pumps. However, about 1893, Italian inventor it (1865–1939), who lacked these pumps, discovered that phosphorus vapours did the job of chemically binding the remaining amounts of water and oxygen. Twice as efficient as carbon filament lamps, Nernst lamps were briefly popular until overtaken by lamps using metal filaments.

Металлическая нить, инертный газ

US575002A патент от 1 декабря 1897 года, выданный Александру Лодыгину (Лодыгин, Россия), описывает нить накаливания, изготовленную из редких металлов, среди которых вольфрам. Лодыгин изобрел процесс, в котором редкие металлы, такие как вольфрам, могут быть химически обработаны и подвергнуты вакуумному напылению на электрически нагретую нить, подобную проволоке (платина, углерод, золото), служащую временной основой или каркасом. (Патент США 575,002). Позже Лодыгин продал патентные права компании GE. В 1902 году Siemens разработала танталовую нить накаливания, которая была более эффективной, чем даже графитированные углеродные нити, поскольку могла работать при более высокой температуре. Поскольку танталовый металл имеет более низкое удельное сопротивление, чем углерод, танталовая нить накаливания была достаточно длинной и требовала нескольких внутренних опор. Металлическая нить постепенно укорачивалась в процессе использования; нити устанавливались с большим запасом длины. Лампы, проработавшие несколько сотен часов, становились довольно хрупкими. Металлические нити имели свойство разрываться и повторно свариваться, хотя это обычно приводило к уменьшению сопротивления и сокращению срока службы нити. General Electric приобрела права на использование танталовых нитей и производила их в США до 1913 года. С 1898 по 1905 год осмий также использовался в качестве нити накаливания в лампах, изготовленных Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Металл был настолько дорогим, что использованные лампы можно было возвращать для получения частичной компенсации. Его нельзя было изготовить для напряжения 110 или 220 В, поэтому несколько ламп соединялись последовательно для использования в стандартных электрических сетях. Они продавались в основном в Европе.

Вольфрамовые нити

13 декабря 1904 года венгерскому Сандору Юсту и хорвату Франжу Ханаману был выдан венгерский патент (No. 34541) на лампу с вольфрамовой нитью, которая служила дольше и давала более яркий свет, чем лампы с углеродной нитью. Заполнение лампы инертным газом, таким как аргон или азот, замедляет испарение вольфрамовой нити по сравнению с работой в вакууме. Это позволяет достигать более высоких температур и, следовательно, большей эффективности при меньшем снижении срока службы нити. В 1906 году Уильям Д. Кулидж разработал метод получения "ковкого вольфрама" из спеченного вольфрама, из которого можно было изготавливать нити, работая в компании General Electric. К 1911 году General Electric начала продавать лампы накаливания с ковкой вольфрамовой проволокой. В 1913 году Ирвинг Лангмуир обнаружил, что заполнение лампы инертным газом вместо вакуума удваивает световую отдачу и уменьшает потемнение колбы. В 1917 году Берни Ли Бенбоу получил патент на спиральную нить с двойной спиралью, в которой спираль нити дополнительно обматывается вокруг оправки. В 1921 году Джуничи Миура создал первую лампу с двойной спиралью, используя спиральную вольфрамовую нить, работая в компании Hakunetsusha (предшественнике Toshiba). В то время не существовало оборудования для массового производства спиральных нитей с двойной спиралью. К 1936 году Hakunetsusha разработала метод массового производства таких нитей. В период с 1924 по начало Второй мировой войны картель Phoebus пытался фиксировать цены и квоты продаж для производителей ламп за пределами Северной Америки. В 1925 году американский химик Марвин Пипкин запатентовал процесс матирования внутренней поверхности лампочек без ослабления их прочности. В 1947 году он запатентовал процесс нанесения покрытия из диоксида кремния на внутреннюю поверхность ламп. В 1930 году венгерский инженер Имре Броди заполнил лампы криптоном вместо аргона и разработал процесс получения криптона из воздуха. Производство ламп, заполненных криптоном, началось в 1937 году на заводе в Адке, спроектированном при участии Поланьи и физика венгерского происхождения Эгона Орована. К 1964 году улучшения в эффективности и производстве ламп накаливания снизили стоимость получения заданного количества света в тридцать раз по сравнению со стоимостью при внедрении системы освещения Эдисона. Потребление ламп накаливания быстро росло в США. В 1885 году было продано около 300 000 ламп общего назначения, все с углеродными нитями. Когда были внедрены вольфрамовые нити, в США насчитывалось около 50 миллионов патронов для ламп. В 1914 году использовалось 88,5 миллионов ламп (только 15% с углеродными нитями), а к 1945 году годовой объем продаж ламп достиг 795 миллионов (более 5 ламп на человека в год).

On 13 December 1904, Hungarian Sándor Just and Croatian Franjo Hanaman were granted a Hungarian patent (No. 34541) for a tungsten filament lamp that lasted longer and gave brighter light than the carbon filament. Filling a bulb with an inert gas such as argon or nitrogen slows down the evaporation of the tungsten filament compared to operating it in a vacuum. This allows for greater temperatures and therefore greater efficacy with less reduction in filament life. In 1906, William D. Coolidge developed a method of making "ductile tungsten" from sintered tungsten which could be made into filaments while working for General Electric Company. By 1911 General Electric had begun selling incandescent light bulbs with ductile tungsten wire. In 1913, Irving Langmuir found that filling a lamp with inert gas instead of a vacuum resulted in twice the luminous efficacy and reduced bulb blackening. In 1917, Burnie Lee Benbow was granted a patent for the coiled coil filament, in which a coiled filament is then itself wrapped into a coil by use of a mandrel. In 1921, Junichi Miura created the first double coil bulb using a coiled coil tungsten filament while working for Hakunetsusha (a predecessor of Toshiba). At the time, machinery to mass produce coiled coil filaments did not exist. Hakunetsusha developed a method to mass produce coiled coil filaments by 1936. Between 1924 and the outbreak of the Second World War, the Phoebus cartel attempted to fix prices and sales quotas for bulb manufacturers outside of North America. In 1925, Marvin Pipkin, an American chemist, patented a process for frosting the inside of lamp bulbs without weakening them. In 1947, he patented a process for coating the inside of lamps with silica. In 1930, Hungarian Imre Bródy filled lamps with krypton gas rather than argon, and designed a process to obtain krypton from air. Production of krypton filled lamps based on his invention started at Ajka in 1937, in a factory co designed by Polányi and Hungarian born physicist Egon Orowan. By 1964, improvements in efficiency and production of incandescent lamps had reduced the cost of providing a given quantity of light by a factor of thirty, compared with the cost at introduction of Edison's lighting system. Consumption of incandescent light bulbs grew rapidly in the US. In 1885, an estimated 300,000 general lighting service lamps were sold, all with carbon filaments. When tungsten filaments were introduced, about 50 million lamp sockets existed in the US. In 1914, 88.5 million lamps were used, (only 15% with carbon filaments), and by 1945, annual sales of lamps were 795 million (more than 5 lamps per person per year).

Стоимость освещения

Первоначальная стоимость лампы накаливания невелика по сравнению с затратами на энергию, потребляемую в течение всего срока службы. Лампы накаливания имеют меньший срок службы, чем большинство других источников света, что является важным фактором, если замена затруднительна или дорога. Некоторые типы ламп, включая лампы накаливания и люминесцентные, со временем излучают меньше света; это может быть неудобством или сократить эффективный срок службы из-за необходимости замены лампы до полного выхода из строя. При сравнении эксплуатационных расходов лампы накаливания с другими источниками света необходимо учитывать требования к освещенности, стоимость самой лампы и затраты на ее замену (с учетом эффективного срока службы), стоимость потребляемой электроэнергии, а также влияние работы лампы на системы отопления и кондиционирования. При использовании для освещения в жилых и коммерческих зданиях энергия, рассеиваемая в виде тепла, может значительно увеличить нагрузку на систему кондиционирования воздуха. В отопительный сезон тепло, выделяемое лампами, не пропадает зря, хотя в большинстве случаев более экономично получать тепло от системы отопления. Тем не менее, в течение года более эффективная система освещения позволяет экономить энергию практически в любом климате.

Меры по запрету использования

Поскольку лампы накаливания потребляют больше энергии, чем альтернативные источники света, такие как компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиодные лампы, многие правительства приняли меры по запрету их использования, установив минимальные стандарты энергоэффективности, превышающие возможности ламп накаливания. Запрет на лампы накаливания был введен в Европейском Союзе, Соединенных Штатах, России, Бразилии, Аргентине, Канаде и Австралии, среди прочих стран. Европейская комиссия оценила, что запрет приносит экономике от 5 до 10 миллиардов евро и позволяет экономить 40 ТВтч электроэнергии ежегодно, что эквивалентно сокращению выбросов CO2 на 15 миллионов тонн. Возражения против запрета ламп накаливания включают более высокую первоначальную стоимость альтернативных источников света и менее качественный свет, излучаемый люминесцентными лампами. У некоторых людей есть опасения относительно влияния люминесцентных ламп на здоровье.

Усилия по повышению эффективности

Были проведены некоторые исследования для повышения эффективности коммерческих ламп накаливания. В 2007 году General Electric объявила о проекте лампы накаливания с высокой эффективностью (HEI), заявляя, что в конечном итоге она может быть в четыре раза эффективнее современных ламп накаливания, хотя первоначальная цель производства заключалась в увеличении эффективности примерно в два раза. Программа HEI была прекращена в 2008 году из-за недостаточного прогресса. Исследования, проведенные Министерством энергетики США в Национальных лабораториях Сандии, первоначально указывали на потенциал значительного повышения эффективности за счет использования фотонной решетки в качестве нити накаливания. Стимулируемая законодательством в различных странах, требующим повышения эффективности ламп, компания Philips представила гибридные лампы накаливания. Лампы Halogena Energy Saver могут производить около 23 лм/Вт, что примерно на 30% эффективнее традиционных ламп накаливания, благодаря использованию отражающей капсулы, которая возвращает ранее теряемое инфракрасное излучение обратно к нити накаливания, откуда часть его переизлучается в виде видимого света. Более совершенные отражатели, основанные на интерференционных фильтрах или фотонных кристаллах, теоретически могут обеспечить более высокую эффективность, вплоть до предела около 270 лм/Вт (40% от максимальной теоретически возможной эффективности). Лабораторные эксперименты, подтверждающие концепцию, показали эффективность до 45 лм/Вт, приближаясь к эффективности компактных люминесцентных ламп.

Строительство

Лампы накаливания состоят из герметичной стеклянной оболочки (колбы или лампы) с вольфрамовой нитью внутри, через которую пропускается электрический ток. Контактные выводы и цоколь с двумя (или более) проводниками обеспечивают электрическое соединение с нитью. Лампы накаливания обычно содержат ножку или стеклянный держатель, закрепленный на цоколе лампы, который позволяет электрическим контактам проходить через колбу без утечки воздуха или газа. Маленькие провода, встроенные в ножку, в свою очередь поддерживают нить и ее подводящие провода. Электрический ток нагревает нить до , что значительно ниже температуры плавления вольфрама. Температура нити зависит от типа, формы, размера нити и величины протекающего тока. Нагретая нить излучает свет, близкий к непрерывному спектру. Полезной частью излучаемой энергии является видимый свет, но большая часть энергии излучается в виде тепла в ближнем инфракрасном диапазоне.

Снижение испарения нити

Во время обычной работы вольфрам нити накаливания испаряется; более горячие и эффективные нити испаряются быстрее, или иногда криптон. Хотя инертный газ снижает испарение нити, он также отводит тепло от неё, тем самым охлаждая нить и снижая эффективность. При постоянном давлении и температуре теплопроводность газа зависит от молекулярной массы газа и площади поперечного сечения молекул газа. Газы с большей молекулярной массой обладают меньшей теплопроводностью, поскольку как молекулярная масса, так и площадь поперечного сечения у них выше. Ксенон повышает эффективность благодаря своей высокой молекулярной массе, но он также дороже, поэтому его применение ограничено небольшими лампами. Перегрев нити (нотчинг) возникает из-за неравномерного испарения нити. Незначительные изменения сопротивления вдоль нити приводят к образованию "горячих точек" в местах с более высоким сопротивлением.

Поскольку обрыв нити в газонаполненной лампе может вызвать электрическую дугу, которая может распространиться между контактами и привести к очень большому току, намеренно тонкие соединительные провода или более сложные защитные устройства часто используются в качестве встроенных предохранителей. В лампах с более высоким напряжением используется больше азота для снижения вероятности возникновения дуги. Изучение проблемы потемнения лампы привело к открытию термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), изобретению вакуумной лампы и методу нанесения покрытий методом испарения, используемому для изготовления зеркал и других оптических покрытий. Даже очень небольшое количество водяного пара внутри лампы может значительно усилить её потемнение. Водяной пар диссоциирует на водород и кислород на горячей нити. Кислород атакует вольфрам, а образовавшиеся частицы оксида вольфрама перемещаются в более холодные части лампы. Водород, выделяющийся из водяного пара, восстанавливает оксид, снова образуя водяной пар и поддерживая этот цикл.

Галогенные лампы

Галогенная лампа снижает неравномерное испарение нити накала и предотвращает потемнение колбы за счет заполнения лампы галогенным газом низкого давления в сочетании с инертным газом. Галогенный цикл увеличивает срок службы лампы и препятствует ее потемнению, возвращая вольфрам, испарившийся с нити, обратно на нее. Галогенная лампа может работать при более высокой температуре, чем стандартная газовая лампа той же мощности, без сокращения срока службы. Такие лампы значительно меньше обычных ламп накаливания и широко применяются там, где требуется интенсивное освещение в ограниченном пространстве. Типичным примером применения служат волоконно-оптические лампы для оптической микроскопии.

Светофорные лампы

В варианте лампы накаливания не использовалась горячая проволочная нить, а вместо этого использовалась электрическая дуга, возникающая на сферическом электроде для создания тепла. Затем этот электрод раскалялся добела, а вклад дуги в производимый свет был незначительным. Такие лампы применялись для проекции или освещения научных приборов, например, микроскопов. Эти дуговые лампы работали на относительно низком напряжении и содержали вольфрамовые нити для ионизации газа внутри колбы. Они обеспечивали интенсивный, сфокусированный свет, характерный для дуговых ламп, но были более просты в использовании. Разработанные примерно в 1915 году, эти лампы были вытеснены ртутными и ксеноновыми дуговыми лампами.

Электрические характеристики

+ Сравнение эффективности ламп на 120 вольт и 230 вольт
Мощность (W) Световой поток (lm) Эффективность (lm/W) Световой поток (lm) Эффективность (lm/W)
5 25 5 15 1107.3 25 2008.0 2309.2
40 500 12.5 430 10.8
60 850 14.2 730 12.2
75 1200 16.0 100 1700 17.0
1,380 13.8 150 2850 19.0
2,220 14.8 200 3900 19.5
3,150 15.8 300 6200 20.7
5,000 16.7 500 8,400 16.8

Мощность

Лампы накаливания являются практически чисто резистивной нагрузкой с коэффициентом мощности, равным 1. В отличие от газоразрядных или светодиодных ламп, потребляемая мощность равна кажущейся мощности в цепи. Лампы накаливания обычно продаются в зависимости от потребляемой электрической мощности. Это в основном определяется рабочим сопротивлением нити накала. Для двух ламп одного напряжения и типа лампа большей мощности излучает больше света. В таблице показана приблизительная типичная светоотдача, в люменах, стандартных ламп накаливания на 120 вольт при различных значениях мощности. Светоотдача аналогичных ламп на 230 вольт немного ниже. Нить накала с меньшим током (при более высоком напряжении) тоньше и должна работать при немного более низкой температуре для обеспечения той же долговечности, что снижает энергоэффективность. Значения светового потока для ламп "мягкий белый свет" обычно немного ниже, чем для прозрачных ламп той же мощности.

Ток и сопротивление

Сопротивление нити накала зависит от температуры. Холодное сопротивление вольфрамовых ламп примерно в 15 раз меньше сопротивления при работе. Например, лампа мощностью 100 Вт и напряжением 120 В имеет сопротивление 144 Ом в рабочем состоянии, но холодное сопротивление значительно ниже (около 9,5 Ом). Стандарт JIS C 7710:1988 определяет общую терминологию для форм колб. + Примеры Описание SI Дюйм Детали "Стандартная" лампочка A60 E26 A19 E26 ⌀60 мм (~⌀19/8 дюйма) Лампочка серии A, ⌀26 мм резьбовой патрон Эдисона Лампочка в форме пламени свечи CA35 E12 CA11 E12 ⌀35 мм (~⌀11/8 дюйма) Форма пламени свечи, ⌀12 мм резьбовой патрон Эдисона Лампочка для направленного освещения BR95 E26 BR30 E26 ⌀95 мм (~⌀30/8 дюйма) Лампочка для направленного освещения, ⌀26 мм резьбовой патрон Эдисона Галогенная лампочка для трековых систем MR50 GU5.3 MR16 GU5.3 ⌀50 мм (~⌀16/8 дюйма) Многогранный отражатель, расстояние между контактами 5,33 мм, 12 В, двухштырьковый разъем.

Подставки для ламп

Крупные лампы могут иметь винтовое цокольное исполнение или байонетное, с одним или несколькими контактами на цоколе. Корпус цоколя может служить электрическим контактом или только механической опорой. Лампы с байонетным цоколем часто используются в автомобильных лампах для предотвращения ослабления от вибрации. Некоторые трубчатые лампы имеют электрический контакт на обоих концах. Миниатюрные лампы могут иметь клиновидный цоколь и проволочные контакты, а некоторые автомобильные и специальные лампы – винтовые клеммы для подключения проводов. У очень маленьких ламп выводы нити накаливания могут быть выведены через цоколь для подключения. Двухштырьковый цоколь часто используется для галогенных или рефлекторных ламп. В конце XIX века производители представили множество несовместимых типов цоколей. Стандартные размеры цоколя "Mazda" от General Electric вскоре были приняты по всей территории США. Цоколи ламп могут быть закреплены на колбе цементом или механической обжимкой в углубления, отформованные в стеклянной колбе. Лампы, предназначенные для использования в оптических системах, имеют цоколи с выравнивающими элементами для точного позиционирования нити накаливания в оптической системе. Винтовая лампа при установке в патрон может иметь произвольную ориентацию нити накаливания. Контакты в патроне лампы обеспечивают прохождение электрического тока через цоколь к нити накаливания. Патрон обеспечивает электрические соединения и механическую поддержку, а также позволяет заменять лампу после перегорания.