Является ли спектр лампы накаливания непрерывным почему

Параграф 82 Ответы на вопросы ГДЗ Мякишев 11 класс (Физика)

Изображение 1. Является ли спектр лампы накаливания непрерывным?2. B чем главное отличие линейчатых спектров от непрерывных и.

©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.

Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.

Светлое будущее. Часть 4: здоровье

В предыдущих эпизодах (часть 1, часть 2, часть 3) мы рассматривали различные источники света (ИС) с точки зрения их технических характеристик и особенностей эксплуатации. Пора изучить, как ИС влияют на зрение и вообще на здоровье человека. Этот аспект — наиважнейший: потеря и даже простое ослабление зрения от сколь угодно эффективного освещения вряд ли может считаться приемлемым даже в таком не слишком развитом обществе, как наше.

Медицина восстанавливать зрение еще не слишком умеет. Максимум — удаление катаракты да коррекция роговицы, но и там масса ограничений (узнайте для интереса стоимость операции). Все остальное — очки, контактные линзы, искусственные хрусталики и тому подобное — не более чем протезы, сильно уступающие биологическим прототипам. Повреждения сетчатки и вовсе в массовом порядке не лечатся. «Запчасти для глаз» практически не вышли из экспериментальной стадии, да и разрешение невелико.

Среди характеристик ИС, так или иначе влияющих на организм, можно выделить следующие: спектр излучения, качество цветопередачи, пульсации светового потока, наличие побочных излучений, присутствие вредных соединений (экологичность). Рассмотрим в этом плане наших постоянных участников — лампы накаливания (ЛН), компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиодные лампы (СДЛ).

Разговор о влиянии источников света на здоровье мы начнем с разбора двух параметров: спектра излучения и цветовой температуры.

Спектр — важнейшая характеристика любого источника света, непосредственно влияющая на (дис)комфорт зрительного восприятия. По этому показателю новые ИС кардинально отличаются как от Солнца, так и от привычных «накалок», подтверждением чему служат хорошо известные графики. Напомним, что быстро оценить спектр любого ИС можно с помощью подручного средства — диска DVD. Его дорожки образуют отличную дифракционную решетку, в которой видны основные пики излучения (CD для этого грубоваты).

Спектр ламп накаливания естественно-непрерывен, в отличие от дискретных, с резкими пиками графиков КЛЛ. Он ближе всего к природному солнечному свету, хотя и смещен в красно-желтую область (это, кстати, хорошо соответствует вечернему освещению на закате — вот почему свет ЛН непроизвольно расслабляет). Именно к Солнцу в ходе эволюции адаптировалось все живое, в том числе — и человеческий глаз. Если бы мы располагали материалом, выдерживающим нагрев до 5800 К (температура фотосферы), проблема искусственного освещения была бы решена раз и навсегда. Увы, таких материалов на Земле нет и не предвидится, а применяемый в ЛН вольфрам плавится при 3690 К, не дотягивая до идеала более двух тысяч градусов. Так что тепловые источники света, лучшие, чем ЛН, нам недоступны. Что же дают новые технологии?

ЛН и КЛЛ в отражении от DVD. Так выявляется линейчатый спектр

Спектр КЛЛ имеет три резко выраженных пика, что определяется свойствами используемой люминофорной смеси. Варьируя соотношение различных компонент в ней, можно влиять на величину тех или иных пиков и тем самым получать результирующий свет более теплого или холодного оттенка (подробнее об этом далее). В соответствии с общепринятой трехкомпонентной теорией цветового зрения, он будет восприниматься как белый, с удовлетворительной, но не более того, цветопередачей. Ведь если предмет отражает свет с длиной волны, попадающей в провал между пиками, то в свете КЛЛ он будет выглядеть более темным, чем на самом деле.

Спектр двух разных КЛЛ и одной ЛН (черная линия). Местоположение пиков одинаково, варьируется лишь их интенсивность

Важно отметить, что линейчатый спектр КЛЛ вызывает повышенное зрительное утомление при чтении и других точных работах. Окулисты давно заметили, что измеренная острота зрения при люминесцентном освещении оказывается существенно ниже, чем при эквивалентном освещении ЛН или Cолнцем. Дело в том, что глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому цвету (555 нм) и фокусируется по нему, а как раз в этом месте у люминофора провал. Зато в спектре много синего, по которому фокусировка значительно хуже (хроматическая аберрация хрусталика, ничего не поделаешь). Все это формирует на сетчатке размытую картинку. Буквы в свете КЛЛ будут казаться менее четкими, поэтому чтение будет сильнее утомлять. Заядлые читатели, молодого и не очень возраста, часто жалуются: «От «сберегаек »глаза болят».

Спектральная чувствительность глаза различается для дневного и ночного зрения. В сумерках изумрудно-зеленый цвет кажется ярче, чем все остальные (это легко заметить по светофорам). Дневной пик в желто-зеленой зоне выражен менее резко

Чтобы исправить положение, приходится поднимать освещенность практически вдвое — тогда зрачок сокращается, аберрации уменьшаются и картинка становится четче. Налицо «инфляция света»: люмен от КЛЛ менее ценен для глаз, чем люмен от ЛН. В этой валюте за зрительный комфорт расплачиваются энергосбережением — вот к чему приводит несовершенный спектр КЛЛ!

У светодиодных ламп спектр существенно отличается. В нем присутствуют два компонента: острый синий пик от самого диода и второй, «размазанный» по всему спектру — от люминофора, которым покрыт кристалл (отсюда, кстати, желтый цвет выключенного светодиода). Как видно, его качество гораздо выше, чем у люминофоров, применяемых в КЛЛ, что определяется как технологией, так и экономикой (в СДЛ люминофора требуется несравненно меньше, чем в КЛЛ). Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии люминофора определяет результирующий свет лампы. Эмиссию же легко регулировать толщиной слоя люминофора. Понятно, что СДЛ холодного света всегда будут дешевле и ярче, чем теплого, — вот в чем причина засилья «синюшных» лампочек в бюджетном (читай: китайском) сегменте рынка.

Спектр трех разных СДЛ и одной ЛН (черная линия). Пики излучения смещаются, что свидетельствует о разном составе люминофора

Интегральная характеристика спектра любого источника света — его цветовая температура (ЦТ). Она определяется как температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемый ИС.

Для ЛН цветовая температура совпадает с нагревом нити накала и колеблется в диапазоне 2200-3250 К. Первое значение характерно для маломощных лампочек 10-25 Вт, которые безбожно желтят, а последнее — для специальных киносъемочных ламп (они горят с сильным перекалом и служат всего несколько десятков часов). Ходовые ЛН 60-100 Вт имеют температуру 2700-2800 К — это и стало ориентиром при последующих разработках КЛЛ и светодиодов. Все шире используемые галогенки отличаются повышенной ЦТ: 2800-2900 К для ламп сетевого напряжения и 2900-3100 К для низковольтных. В обоих случаях более высокое значение характерно для фирменных ламп старших серий. Другими словами, качественные низковольтные ГЛН — самый лучший из доступных тепловых источников света, это стоит запомнить.

Лет 40 назад (когда об энергосбережении мало кто задумывался) широко использовались ЛН «дневного света» с исправленным спектром. Их колба имела бледно-голубой оттенок, вырезающий избыточные красно-желтые тона спирали. Результирующий свет был весьма приятным, но сильно ослабленным: для сохранения освещенности мощность лампочки приходилось практически удваивать (с 60 до 100 Вт в настольной лампе, например). Подобное излишество вроде бы кануло в Лету вместе с прожорливыми шестилитровыми авто, но парадоксальным образом возродилось как раз в автомобильной отрасли. Заметная часть продаваемых нынче галогенок для фар (стандарт 12 В, 55 Вт) окрашена в более или менее густой синий цвет, долженствующий приблизить спектр к модным «ксенонкам» (на самом деле — металлогалогенным лампам с небольшой добавкой ксенона для быстрого запуска). Так — заметим в сторону — безопасность движения приносится в жертву дешевым «понтам».

Даже крупные фирмы идут на поводу у спроса и выпускают такое. Синие галогенки светят, может быть, и красиво — прямо как ксенонки, но дорогу толком не освещают

Синие ЛН до сих пор выпускаются, но уже в немассовых количествах. Эта предназначена для обогрева рептилий в террариуме, а также подпитки их мягким УФ

Цветовая температура КЛЛ и СДЛ лишь приблизительно описывает их свечение, поскольку спектр этих ламп не гладкий. У КЛЛ он вообще линейчатый с несколькими резкими люминофорными пиками, а светодиоды при более размытом спектре сохраняют базовый пик в синей области, весьма вредный для глаз. Правильнее говорить о коррелированной цветовой температуре (CCT), поскольку полного соответствия с излучением черного тела здесь нет, и приходится выбирать температуру, ближайшую к кажущемуся цвету ИС.

Спектральные кривые абсолютно черного тела. Температура 3000-4000 К дает оранжево-желтые тона, при 5000-7000 К свет относительно ровный во всем спектре (нейтрально-белый тон), при 9000 К и выше преобладают короткие волны (голубоватые тона)

КЛЛ выпускаются с цветовой температурой из устоявшегося ряда, основанного на стандартизированных люминофорных смесях. Это 2700 К (торговое обозначение «теплый белый»), 4200 К («холодный, или нейтральный белый») и 6500 К («дневной белый»). В последнее время ряд пополнился: появились лампы на 2500 К («комфорт») и на 3300 К («релакс»), а также варианты на 4000/4500 К и на 6000 К. Последние — скорее маркетинговый ход: по технологическим нормам ЦТ может отклоняться от номинала на 10%, а реальный разброс бывает еще больше (влияет чистота люминофора и другие случайные факторы). Так что лампы на 6000 К практически не отличаются от 6500 К.

Но что касается ламп на 2500 К (Osram), то здесь свет уже другой — ближе к свечам, с заметной желтизной. Такие изделия вполне уместны в интерьерной подсветке. Те КЛЛ на 3300 К, которые довелось видеть (марка Uniel), не впечатляют: это те же 4200 К, только с колбой бледно-желтого стекла, порождающей неестественный оттенок свечения. Лампы Nakai класса 833, на те же 3300 К, сделаны «честно» — их чисто-белый свет весьма приятен, но мало распространены и сравнительно дороги (250-300 р.).

КЛЛ Uniel на 3300К. Подкрашенная колба доводит ЦТ до желаемого значения, но портит цветопередачу

Важно отметить, что весь ряд цветовых температур получается с помощью одних и тех же люминофоров, с одинаковыми пиками и провалами в спектре. Различается лишь доля синего: для теплых тонов его меньше, для холодных — больше. Поэтому идея «зарядить» в один светильник КЛЛ разной цветности (чаще всего теплого и холодного белого) результирующий спектр не сглаживает и цветопередачу не улучшает, хотя смешанный свет бывает субъективно приятен.

В ходе эксплуатации КЛЛ люминофор деградирует, что отражается не только на световом потоке, но и на спектре: он становится более грязным, с желтым оттенком. Дрейф ЦТ можно заметить уже через год-полтора эксплуатации, это порой вынуждает заменить еще исправную лампу.

СДЛ тоже выпускаются теплого, нейтрального и холодного свечения, вот только стандарты ЦТ здесь соблюдаются довольно слабо. Виной тому, видимо, несовершенство белых светодиодов, где используется сложный по технологии люминофор.

Честные производители, такие как Cree, приводят для своих чипов следующую градацию: 2600-3700 К — Warm White, 3700-5000 К — Neutral White, 5000-8300 К — Cool White. Разброс, как видим, весьма значительный — чуть ли не 50%. Лампы формально одной и той же цветности, но купленные в разных местах, скорее всего, будут заметно различаться по свечению. Отсюда практический совет: закупать сразу столько СДЛ из одной партии, сколько необходимо по проекту освещения, возможно, с запасными экземплярами. Разнобой в оттенках как минимум неэстетичен, а как максимум — бьет по глазам, вынужденным все время перестраиваться.

Положение СДЛ теплого и нейтрально-белого света на цветовой диаграмме. В конкретных образцах отклонения могут быть значительны

Кроме того, цветовая температура СДЛ непостоянна во времени. Люминофор в мощных кристаллах сильно нагревается, что способствует его быстрой деградации. По мере старения световой поток диодов смещается в синюю область, так что общая ЦТ растет. Лампы начинают светить сначала слишком холодным, а потом неприятным синюшным светом, который еще и вреден для глаз и всего организма (об этом поговорим в следующей части). Это тоже надо учитывать при эксплуатации, особенно на втором-третьем году.

«Синят» прежде всего дешевые лампочки с интернет-барахолок, но и фирменные модели порой огорчают (виноват старый тип люминофора, а также плохое охлаждение и прочие «нарушения режима»). Так, в одном тесте СДЛ Osram их цветовая температура за 12000 ч поднялась на 2500 К. Сегодня долговечные, стабильные диоды делают Cree и Nichia, но цены на эту продукцию немаленькие.

В следующем материале мы продолжим тему влияния различных источников света на здоровье и поговорим о цветопередаче и уровне пульсаций.

Лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания — электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама.

Содержание

Принцип действия

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое 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. При температуре 5770 K (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру 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 теплопроводимости 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. Температура в 5771 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный 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).

Для оценки данного качества света используется цветовая температура. При типичных для ламп накаливания температурах 2200—3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина [1] , важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Конструкция

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель — звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы — как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Колба

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N₂ с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы: N₂ — 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr — 83,798 г/моль; Xe — 131,293 г/моль).

Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД и срок службы, меньший размер колбы и другие преимущества.

Тело накала

Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является из проволоки круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала (из металлических ленточек). Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно — более правильным является термин «тело накала», включенный в состав Международного светотехнического словаря.

Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама, иногда осмиево-вольфрамового сплава. Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).

Электротехнические параметры

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40—50 микрон.

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять — четырнадцать раз 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. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока. При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40 (цифра обозначает наружный диаметр в мм). Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например, байонетным) — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено иным напряжением в сетях — 110 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul) [2] . Также, аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:

лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
декоративные лампы, выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
лампы местного освещения, конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение — 12, 24 или 36 (42) В. Область применения — ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
иллюминационные лампы, выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение — иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10—25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком ), их недостаток — быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации — пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН — локализованное местное освещение;
сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
транспортные лампы — чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6—220 В);
прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
лампы для оптических приборов, к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);

Специальные лампы

коммутаторные лампы — разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первая цифра означает рабочее напряжение в вольтах, вторая — силу тока в миллиамперах;

Фотолампа, перекальная лампа — разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400К, по сравнению с 2700К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:

Пилотное освещение — напряжение снижено на 20-30 % с помощью ЛАТРа. При этом лампа работает с недокалом и имеет низкую цветовую температуру.
Номинальное напряжение. [3]

История изобретения

В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью) [5] .
В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.
В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой. [6][7]
В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно. 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.
В 1875 годуВ. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них, следующий включался автоматически). изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
В 1890-х годахА. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов [8] . Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз [9] . Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом) [10] .
С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна) [11]
В 1904 годувенгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году. [12]
В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.
В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.
Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными, точнее — тяжёлыми благородными газами (в частности — аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу. [13]

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 (обычная лампа на 60 Вт) 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. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Так как стоимость потребленной за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.

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.

Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска.

Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. [14] Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Тип	Относительная световая отдача %	Световая отдача (Люмен/Ватт)
Лампа накаливания 40 Вт	1,9 %	12,6 [15]
Лампа накаливания 60 Вт	2,1 %	14,5 [15]
Лампа накаливания 100 Вт	2,6 %	17,5 [15]
Галогенные лампы	2,3 %	16
Галогенные лампы (с кварцевым стеклом)	3,5 %	24
Высокотемпературная лампа накаливания	5,1 %	35 [16]
Абсолютно чёрное тело при 4000 K	7,0 %	47,5 [17]
Абсолютно чёрное тело при 7000 K	14 %	95 [17]
Идеально белый источник света	35,5 %	242,5 [16]
Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник	100 %	683 [18]

Ниже представлено приблизительное соотношение мощности и светового потока для обычных прозрачных ламп накаливания в форме «груши», популярных в России, цоколь E27, 220В. [19]

Мощность (Вт)	Световой поток (лм) [19]	Световая отдача (лм/Вт)
200	3100	15,5
150	2200	14,6
100	1360	13,6
75	940	12,5
60	720	12
40	420	10,5
25	230	9,2
15	90	6

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

Вакуумные (самые простые)
Аргоновые (азот-аргоновые)
Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)
Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)
Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл)
Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счёт лучшего нагрева внутренней колбы)
Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)
Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

налаженность в массовом производстве
малая стоимость
небольшие размеры
отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
нечувствительность к ионизирующей радиации
чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
быстрый выход на рабочий режим
невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
возможность работы на любом роде тока
нечувствительность к полярности напряжения
возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).
отсутствие гудения при работе на переменном токе
непрерывный спектр излучения
приятный и привычный в быту спектр
устойчивость к электромагнитному импульсу
возможность использования регуляторов яркости
не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

низкая световая отдача
относительно малый срок службы
хрупкость, чувствительность к удару и вибрации
бросок тока при включении (примерно десятикратный)
при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона
резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения
лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 25 Вт — 100 °C, 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут. [20]
нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников
световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод, что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостатки [какие?] .

Ограничения импорта, закупок и производства

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные, светодиодные, индукционные и др.) лампы.

1 сентября 2009 года в Евросоюзе в соответствии с директивой 2005/32/EG вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 года запрещены лампы мощностью 100 Вт и более, ламп с матовой колбой 75 Вт и более (с 1 сентября 2010 года [21] ) и др. Ожидается, что к 2012 году будут запрещены импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности [22] .

С 2005 года на Кубе ограничено использование ламп накаливания мощностью более 15 Вт. [источник не указан 691 день]

В России

2 июля 2009 года на заседании в Архангельске президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент Российской Федерации Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания [23] .

23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утверждённый Советом федерации закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [24] . Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введён запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года — мощностью 25 Вт и более.

Данное решение является спорным. В поддержку его приводятся очевидные доводы сбережения электроэнергии и подталкивания развития современных технологий. Против — соображение, что экономия на замене ламп накаливания полностью сводится на нет повсеместно распространённым устаревшим и энергонеэффективным промышленным оборудованием, линиями электропередачи, допускающими большие потери энергии, а также относительно высокой стоимостью компактных люминесцентных и светодиодных ламп, малодоступных для беднейшей части населения. Кроме того, в России отсутствует налаженная система сбора и утилизации отработавших люминесцентных ламп, что не было учтено при принятии закона и в результате чего ртутьсодержащие люминесцентные лампы бесконтрольно выбрасываются. Большинство потребителей не знает о наличии в люминесцентной лампе ртути, так как это не указано на упаковке, а вместо «люминесцентная» написано «энергосберегающая». В условиях низких температур многие «энергосберегающие» лампы оказываются неспособными запуститься. Люминесцентные энергосберегающие лампы неприменимы в прожекторах направленного света, так как светящееся тело в них в десятки раз крупнее нити накаливания, что не даёт возможности узкой фокусировки луча. В силу своей дороговизны, «энергосберегающие» лампы чаще становятся объектом кражи из общедоступных мест (например, подъездов жилых домов), такие кражи наносят более весомый материальный ущерб.

В связи с вступившим в силу запретом на продажу ламп мощностью более 100 Вт некоторые производители начали выпускать лампы мощностью 93-95 Вт [25] [26] [27] , а некоторые переименовали свои лампы мощностью от 100Вт в «теплоизлучатели различного назначения» и продают так.

Картель Фебус

Международный электроламповый картель с административным центром — обществом Phöbus S. A. (Женева, Швейцария), существовавший в 1924—1941 годах, объединял в себе более 40 производителей из разных стран, доля продукции которых на мировом рынке достигала 80 % и имеющий влияние на ценовую, патентную политику. [28]

По некоторым источникам в 1924 году между участниками картеля была достигнута договорённость об ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп. [29] [30]

Кроме того картелем были разработаны ныне действующие стандарты цоколя Эдисона. [31]

Ликбез — спектры популярных источников света ⁠ ⁠

Просто и на пальцах, цвет предмета, что мы наблюдаем под разными лампами, может меняться.

По факту цвет предмета, который мы видим — это то, что лучше всего отражает данный предмет.

Если данного цвета нет в спектре источника света (который на него светит) то, его цвет исказится — например, будет черным или более темным или уйдет в другой (ближайший) оттенок.

Если кратко, чем ровнее спектр — тем «естественнее» будет выглядить цвет предмета (как на солнце)

наше солнце, маскимально ровный, небольшой завал на стороне фиолетового