Лампа накаливания появилась очень давно, но данное устройство продолжает использоваться до сих пор.
Прибор состоит из двух частей – стеклянной колбы и специальной нити, которая и отвечает за образование света.
Подробно расскажем о нити накаливания, требования к ней и из каких материалов могут изготавливать.
Содержание
Что это такое?
Нить (тело) в лампе накаливания находится внутри колбы и представляет собой длинный кусок тонкой проволоки, являющегося хорошим проводником электричества. Спираль находится в вакууме либо инертном газе (например, аргоне), замедляющем процесс ее изнашивания.
Внутри лампочки нить накаливания соединена с контактами из металла, они в свою очередь подключены к источнику питания, в результате чего через них проводится ток. Располагается такая проволока в виде шестиугольника, благодаря чему свет распределяется равномерно.
Функции и принцип работы
Тело накаливания является самым важным элементом всего прибора. Именно благодаря спирали образуется свет.
Принцип работы всего устройства довольно прост и основан на физических явлениях.
Нить соединена с металлическими контактами, которые подключены к источнику питания и через которые подается электрический ток.
Во время этого процесса электроны атомов в спирали накала поглощают большой объем энергии.
Но данное явление занимает короткое время, в результате во время возврата к исходным уровням происходит выброс дополнительной энергии в виде фотонов, а именно света – лампочка загорается.
К сожалению, такая спираль недолговечна, подвержена быстрому износу и спустя некоторое время перегорает.
В лампах для бытового использования присутствует одна нить накаливания, однако существует и другие варианты.
Требования
Основным требованием к телу накаливания является его устойчивость к различным воздействиям, а именно высокая температура плавления. Внутри лампы данная спираль нагревается до 2000-2800 градусов Цельсия. При этом КПД всего устройства составляет всего 5%.
Если же поднять температуру выше, то КПД тоже увеличится, но нить прослужит меньше времени и быстрее перегорит. Стоит также учитывать, что внутри лампы вакуум либо инертный газ, в противном случае нить, которую чаще всего изготавливается из вольфрама, будет просто окисляться.
Помимо этого, материал тела накала должен обладать пластичностью, чтобы была возможность тянуть проволоку различного диаметра (даже самого маленького). Немаловажным фактором является низкая скорость испарения при рабочей температуре, что сказывается на сроке службы всего изделия.
Характеристики
В виду того, что лампы накаливания имеют разное назначение, то они будут обладать определенными характеристиками.
Наибольшую популярность получили тела из проволоки овального поперечного сечения, однако иногда встречаются ленточные варианты, которые состоят из металлической ленты.
Чтобы сделать нить меньше размером, ее закручивают в форме спирали. В некоторых случаях осуществляют повторную обработку и даже трехкратную, в результате получается биспираль или триспираль, которые отличаются пониженными теплопотерями и повышенным КПД.
В продаже встречаются изделия с различной мощностью. Данный параметр определяет свечение, которое связано с температурой нагрева нити.
Стандартная вольфрамовая нить обладает рабочей температурой до 3000 градусов Цельсия. Для спирали из другого материала информацию можно узнать из специальных таблиц.
Еще одним параметром является сопротивление. Его определяют по физическим свойствам материала, используемого для создания тела накала. Параметр зависит от качества изготовления, длины и толщины, а также температурного режима работы. Выяснить сопротивление можно по специальной формуле, зная определенные величины:
- S – искомый параметр сопротивления;
- s– сопротивление материала, из которого изготовлена спираль;
- C – длина нити;
- P – площадь сечения провода.
Для того, чтобы достичь необходимого сопротивления, требуется использовать длинный и тонкий провод, толщиной примерно 40-50 микрометров.
Срок службы спирали зависит от частоты использования, потому что со временем нить истончается.
Из каких материалов изготавливают?
- Из бамбуковых волокон и графита. Для изготовления нити используются различные материалы.
В первых лампах тело накаливания производилось из бамбуковых волокон, выполняющих роль изолятора, покрытых тонким слоем графита – токопроводящей среды.
В результате возрастало сопротивление, чего и добивались производители. Однако такие модели быстро сгорали, поэтому появилась необходимость применения других материалов.
- Платина и серебро. После того, как в лампе создали вакуум, последовала замена графита на драгоценные металлы – платину и серебро. Результат использования подобного варианта был лучше, проводимость тока увеличилась, но само изделие было дороже и приобретать его стало невыгодно.
- Угольный стержень. В 1872 Александр Ладыгин, русский ученый, впервые попробовал заменить тело накаливания угольным стержнем. Спустя пару лет данное изобретение было запатентовано. В таких лампах при нагревании снижалось сопротивление, а свечение увеличивалось постепенно.
- Вольфрам. Через некоторое время тело накаливания стали изготавливать из вольфрама. Данный материал является самым тугоплавким, поэтому лампы с такой нитью работают довольно долго и отличаются высокой светоотдачей.
- Инертный газ. При повышении температуры увеличивается эффективность данного тела накаливания. В 1909 году вакуум в лампах заменили на инертные газы, что также увеличило срок работы спирали.
- Рений. Еще одним удачный материал. Температура плавления у него немного ниже, при этом он устойчив к окислению и отличается меньшей скоростью испарения, чем вольфрам.
Для изготовления нитей накаливания также используются:
- карбид тантала;
- осмий;
- молибден и некоторые другие.
Кроме того применяют:
- Тело накаливания из молибдена отличается более высоким сроком службы при серьезных нагрузках, не плавится, прекрасно распределяет свет, при этом не перегреваясь.
- Спирали из платины отличаются устойчивостью к высокой температуре и прекрасно проводят электричество, способны работать длительное время.
- Никелевые нити накаливания обеспечивают равномерное распределение света, хорошо переносят высокие температуры.
- Спирали из кадмия имеют низкую плотность, отлично проводят электричество и способны выдерживать высокие температурные показатели. Благодаря химической стабильности прослужат длительное время.
- В лампах специального назначения могут использоваться изделия из рутения – материала с высокой плотностью и устойчивостью к коррозии.
Какие лучше и почему?
Лучшим вариантом нити для лампы накаливания является вольфрам. Этот материал отличается достаточно высокой температурой плавления, а также хорошей устойчивостью к механическим колебаниям. Он служит сравнительно долгое время, при этом стоимость лампы со спиралью сравнительно невысокая.
Причины разрыва
Независимо от того, из какого материала изготовлена нить накаливания, с течением времени он постепенно испаряется под воздействием высокой температуры. В какой-то момент спираль становится настолько тонкой, что просто не может дальше проводить ток, перегревается и рвется, лампа перестает работать.
Можно ли отремонтировать?
Такие лампы никто не ремонтирует – нет необходимости, их достаточно в магазинах, поэтому при желании всегда можно приобрести новую лампочку с качественной нитью накала.
Чтобы она прослужила более длительное время, рекомендуется выбирать изделие с более толстой спиралью, тогда последняя будет дольше оставаться в нормальном состоянии и не перегорит за короткий срок. К сожалению, таких устройств немного, потому что вольфрам является недешевым материалом, а увеличение его количества ведет к удорожанию всего устройства.
Полезное видео
Вольфрамовая нить лампы накаливания под микроскопом:
Заключение
Спираль накаливания является основной частью в одноименных лампах. Она может быть изготовлена из разных материалов, а также обладать разными характеристиками. К сожалению, срок годности данной части не слишком долог, при постоянном использовании постепенно она истончается и рвется. Отремонтировать такое изделие не получится, поэтому стоит просто приобрести новое.