Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Лампы накаливания, люминесцентные и светодиодные лампы. Электрические нагревательные приборы

Содержание

    При протекании электрического тока по проводнику можно наблюдать его различные действия: тепловое, химическое, магнитное, световое. Тепловое действие описывается законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2Rt$. Именно оно лежит в основе действия ламп накаливания, которые так активно используются человечеством. Электрический чайник, утюг, кипятильник — действие этих приборов тоже основывается на тепловом действии тока.

    На данном уроке мы рассмотрим устройство электронагревательных приборов и различных видов ламп, сравним их друг с другом, а также вы узнаете, какие открытия и изобретения привели к их созданию.

    Устройство лампы накаливания

    Одно из самых наглядных проявлений действия теплового тока — это свечение лампы накаливания. Рассмотрим устройство и принцип работы таких ламп.

    Главная часть любой лампы накаливания — это вольфрамовая спираль. Этот элемент также называют нитью накаливания лампы.

    Почему этот элемент изготовлен именно из вольфрамовой проволоки? Дело в том, что вольфрам — тугоплавкий металл. Его температура плавления составляет $3387 \degree C$ (рисунок 1). При использовании лампы накаливания такая спираль нагревается до $3000 \degree C$ — до белого каления. Она начинает ярко светиться.

    Рисунок 1. Температуры плавления некоторых металлов

    Вольфрамовая спираль укреплена на держателях (рисунок 2). К ней же подключены электроды. Они обеспечивают протекание электрического тока.

    Рисунок 2. Лампа накаливания

    Вольфрамовая спираль находится в стеклянной колбе. В процессе изготовления из этой колбы выкачивают воздух и заполняют ее инертным газом (азотом, криптоном или аргоном).

    Если оставить в колбе воздух, то он очень быстро нагреется от вольфрамовой проволоки. Это приведет к его расширению — колба лопнет. Сама спираль, нагретая в воздухе, быстро окисляется и разрушается. Вакуум тоже не подходит — вольфрам быстро испаряется. Спираль истончается и перегорает. Поэтому используют инертные газы — их молекулы препятствуют выходу частиц вольфрама из спирали (возгонке). Так нить накаливания медленнее разрушается под действием высоких температур — срок действия лампы увеличивается.

    Лампы накаливания изготавливаются в расчете на различные значения напряжения:

    1. $220 \space В$ — для городской осветительной сети
    2. $50 \space В$ — для железнодорожных вагонов
    3. $12 \space В$ — для автомобилей и техники
    4. $3.5 \space В$ и $2.5 \space В$ — для карманных фонарей и других небольших осветительных приборов

    На данный момент времени лампы накаливания постепенно все больше и больше вытесняются энергосберегающими и светодиодными лампами.

    Люминесцентная (энергосберегающая) лампа

    Теперь рассмотрим другой вид ламп — энергосберегающую (рисунок 3).

    Рисунок 3. Энергосберегающая (люминесцентная) лампа

    Она представляет собой стеклянную колбу, наполненную парами ртути и аргона. К ней подсоединено специальное пускорегулирующее устройство

    Внутренняя поверхность колбы покрыта люминофором (рисунок 4). Это специальное вещество, которое при воздействии ультрафиолетового излучения начинает испускать видимый свет. Откуда берется ультрафиолетовое излучение? Его как раз и провоцирует ток, проходящий через газообразное рабочее тело лампы (пары ртути и аргона). Здесь уже используется не тепловое действие тока, а химическое.

    Рисунок 4. Принцип действия люминесцентной лампы

    Светодиодная лампа

    Устройство светодиодной лампы (рисунок 5) основано на использовании более новых технологий.

    В такой лампе электрический ток проходит через специальное устройство — ЧИП. Это устройство нанесено на полупроводниковый кристалл и вместе с ним образует новый элемент — светодиод. Светодиоды обладают способностью преобразовывать электроэнергию в обычный видимый свет. Это проявление светового действия тока.

    Рисунок 5. Светодиодная лампа

    Светодиоды прикрыты специальной светорассеивающей полусферой — рассеивателем. 

    В основании лампы, между цоколем и рассеивателем, находятся радиатор и драйвер. Радиатор предназначен для отведения тепла от светодиодов (тепловое действие тока никто не отменял). Драйвер служит для преобразования напряжения сети ($220 \space В$) в постоянное низкое напряжение (от $2 \space В$ до $4 \space В$), которое подходит для питания светодиода.

    В состав одного светодиода может входить  как один ЧИП, так и несколько, они могут быть разных размеров и формы (рисунок 6).

    Рисунок 6. Светодиодные лампы

    Сравнительные характеристики различных ламп

    Чем же светодиодные лампы лучше энергосберегающих и ламп накаливания? Сравнительные характеристики приведены на рисунке 7.

    КПД ламп накаливания составляет около $3 \%$. Большая часть электроэнергии преобразуется в тепловую энергию. 

    Для люминесцентных ламп коэффициент полезного действия составляет не больше $15 \%$. Их энергопотребление в 5 раз меньше, чем ламп накаливания. 

    Светодиодные лампы имеют КПД около $30 \%$. В основном потери происходят из-за защитной колбы, которая поглощает часть световой энергии. Энергопотребление таких ламп в 7 раз ниже ламп накаливания.

    Рисунок 7. Сравнительные характеристики ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп

    Обратите внимание, что мощность уже не является основной характеристикой при выборе лампы. Так, светодиодная лампа в $9 \space Вт$ может заменить собой стандартную лампу накаливания мощностью $75 \space Вт$. 

    Для того, чтобы иметь возможность сравнить между собой разные лампы, используется новый параметр — световой поток (рисунок 8). Он показывает, какой объем света способна выдавать лампа и измеряется в люменах ($Лм$). C помощью него мы можем оценить уровень освещения, который дает та или иная лампа.

    Рисунок 8. Световой поток ламп накаливания разной мощности

    Например, лампа накаливания $75 \space Вт$ выдает световой поток в $800 \space Лм$. Схожий уровень освещенности даст энергосберегающая лампа мощностью $19 \space Вт$ или светодиодная лампа мощностью $9 \space Вт$. Как вы видите, использование светодиодных ламп вместо ламп накаливания приводит к большой экономии электроэнергии.

    Нагревательные приборы

    Тепловое действие тока широко используется в электронагревательных приборах. К ним относятся электрические плиты, чайники, обогреватели, утюги, кипятильники.

    Электронагревательные приборы также используют в промышленности  для выплавки определенных сортов металла и электросварки. В сельском хозяйстве явление нагревания проводника электрическим током нашло свое применение в обогреве теплиц (рисунок 9), инкубаторов, кормозапарников.

    Рисунок 9. Кабельное отопление грунта в теплице

    Основная часть таких приборов — это нагревательный элемент.

    Нагревательный элемент — проводник с большим удельным сопротивлением, способный не разрушаясь выдерживать нагревание до высоких температур ($1000-1200 \degree C$).

    История развития электрического освещения

    Все началось с создания в 1802 году русским физиком и первым в мире электротехником Василием Владимировичем Петровым электрической дуги (рисунок 10). Это изобретение можно считать прообразом лампы накаливания и первым осветительным элементом.

    Петров взял два угольных стержня-электрода, имеющих разноименные электрические заряды. Оказалось, что если их приблизить друг к другу, то они дают яркий разряд в форме дуги. 

    Рисунок 10. Электрическая дуга Петрова

    Тем не менее электрическая дуга оставалась без внимания до 1876 года. Русский инженер и электротехник Павел Николаевич Яблочков разработал прибор, который назвал «электрической свечой» (рисунок 11). В основе этого устройства и оказалась электрическая дуга Петрова: два угольных стержня расположены параллельно друг другу и разделены слоем каолина (белой глины). Эта лампа широко использовалась в Лондоне для освещения улиц.

    Рисунок 11. «Электрическая свеча» Яблочкова

    В 1872 году была изобретена первая лампа накаливания (рисунок 12) русским инженером Александром Николаевичем Лодыгиным. Здесь уже было применено знание о тепловом действии тока. В устройстве лампы были две медные проволоки, соединенные с источником тока. Они были впаяны в стеклянный шар. Между ними закреплялся тонкий угольный стержень. Он раскалялся и ярко светился. Чтобы продлить работу такой лампы, из стеклянной колбы откачивали воздух. 

    Рисунок 12. Лампа Лодыгина

    Далее следовало огромное количество модификаций и экспериментов: к 1890-ым годам в лампах уже стали применять вольфрамовую нить вместо угольных стержней. Тогда лампы накаливания сменили «электрическую свечу» Яблочкова. Прогресс постепенно привел к появлению энергосберегающих и светодиодных ламп.

    Первая энергосберегающая лампа была создана в 1901 году американским инженером Питером Купером Хьюиттом. Она излучала неприятный голубовато-зеленый свет, поэтому не получила распространения. По это причине создание полноценной энергосберегающей лампы относят к 1926 году Эдмундом Гермером.

    Исследования, относящиеся к светодиодам, длились с 1920-ых годов. Первые светодиодные лампы с желто-зеленым и красным свечением были созданы в 1962 году, а свое широкое распространение — после огромного количества доработок и усовершенствований — нашли только к 2000-ым годам.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение