Лампы накаливания, люминесцентные и светодиодные лампы. Электрические нагревательные приборы
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.
Вольфрамовая спираль укреплена на держателях (рисунок 2). К ней же подключены электроды. Они обеспечивают протекание электрического тока.
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:
- $220 \space В$ — для городской осветительной сети
- $50 \space В$ — для железнодорожных вагонов
- $12 \space В$ — для автомобилей и техники
- $3.5 \space В$ 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).
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Электрические нагревательные приборы
Тепловое действие тока широко используют в различных электронагревательных приборах и устройствах. Например, такими приборами являются электрические плиты, разного рода обогреватели, фены для сушки волос, утюги, электрочайники и т. д.
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент. Обычно он представляет собой спираль из материала с большим удельным сопротивлением, который способен выдерживать нагревание до высокой температуры.
Чаще всего для изготовления электронагревательного элемента используют нихром — сплав никеля, железа, хрома и марганца.
ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Обычные лампы накаливания превращают в световую энергию менее 10 % потребляемой электроэнергии, а остальные 90 % превращают в теплоту. Поэтому такие лампы тоже можно считать электронагревательным приборами.
Впервые лампа накаливания была изобретена русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Основным её элементом был тонкий угольный стержень, который помещался в сосуд с выкачанным воздухом. Срок службы первых ламп был небольшим — всего 30—40 мин.
Американский изобретатель Т. А. Эдисон продолжил исследования Лодыгина, подбирая более совершенный материал для элемента накаливания. При этом он предложил очень удобную вставку для лампы (эдисоновский патрон), а также сконструировал выключатель, с помощью которого можно было включать и выключать свет.
Позднее Лодыгин предложил вместо угольной нити использовать вольфрамовую, которая и сейчас используется в современных лампах накаливания.
Спираль с помощью специальных держателей укрепляется внутри стеклянного баллона, наполненного инертным газом, чтобы вольфрам не испарялся и спираль быстро не перегорала. Концы спирали приварены к двум проволокам, которые прикреплены к металлическим частям цоколя. Для включения лампы в сеть её ввинчивают в патрон. Он представляет собой пластмассовый корпус, в котором имеется металлическая гильза с резьбой. К ней присоединён один из проводов сети. Патрон контактирует с цоколем. Второй провод от сети присоединён к контакту, который касается основания цоколя лампы. На каждой лампе указывают мощность и напряжение, на которые она рассчитана.
Хорошо всем знакомый утюг был изобретён очень давно. С появлением электричества и развитием техники появились электрические утюги.
Первоначально в качестве нагревательного элемента служила нихромовая спираль, вставленная внутрь «гирлянды» фарфоровых изоляторов. Позднее стали использовать узкую нихромовую ленту, намотанную на пластинку из жаропрочного материала — слюды или керамики.
В современных утюгах применяют проволочные спирали, заключённые внутрь металлических трубок. Их заполняют специальным электроизоляционным материалом, который препятствует соприкосновению витков спирали друг с другом и, главное, с металлическими стенками трубки.
КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
Провода, соединяющие потребителей тока с источниками электрической энергии, например квартирная проводка, всегда рассчитаны на определённый максимальный ток. По разным причинам сила тока может превысить допустимое значение, что приведёт к перегреву проводов и воспламенению их изоляции.
Одной из причин нарушения нормальной работы электрической сети может быть так называемое короткое замыкание проводов, при котором концы участка цепи соединяются проводником, сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением этого участка цепи. Такое замыкание возникает, в частности, из-за повреждения изоляции проводов.
ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
Чтобы избежать последствий короткого замыкания, в сеть включают предохранители. Их назначение — автоматическое отключение электрической цепи, когда в ней начинает идти ток больше допустимой нормы.
Электрическая проводка в жилых зданиях рассчитана, как правило, на силу тока 6 А или 10 А. Главной частью предохранителей, используемых для её защиты, является проволока из легкоплавкого материала (например, из свинца).
Проволока находится внутри фарфоровой пробки, которая имеет винтовую нарезку и центральный контакт. Нарезка соединена с центральным контактом этой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки.
Свинцовая проволока представляет, таким образом, часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определённую силу тока.
Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.
Помимо плавких предохранителей, в последнее время в быту широкое распространение получили автоматические предохранители, в основу работы которых положено тепловое и/или магнитное действие тока. Если сила тока превысит допустимое значение, автоматический предохранитель разорвёт цепь.
В отличие от плавкого предохранителя автоматический готов к дальнейшему использованию после устранения неисправностей в сети.
Томас Альва Эдисон (1847—1931) — американский физик и изобретатель в области электротехники.
Александр Николаевич Лодыгин (1847—1923) — русский электротехник, создатель лампы накаливания.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрические нагревательные приборы».
§ 55. Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы
Основная часть современной лампы накаливания — спираль из тонкой вольфрамовой проволоки. Вольфрам — тугоплавкий металл, его температура плавления 3387 °С. В лампе накаливания вольфрамовая спираль нагревается до 3000 °С, при такой температуре она достигает белого каления и светится ярким светом. Спираль помещают в стеклянную колбу, из которой выкачивают насосом воздух, чтобы спираль не перегорала.
Но в вакууме вольфрам быстро испаряется, спираль становится тоньше и тоже сравнительно быстро перегорает. Чтобы предотвратить быстрое испарение вольфрама, лампы наполняют азотом, иногда инертными газами — криптоном или аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу частиц вольфрама из нити, т. е. препятствуют разрушению накалённой нити.
Лодыгин Александр Николаевич (1847-1923)
Русский электротехник, изобретатель лампы накаливания.
Эдисон Томас (1847—1931)
Американский изобретатель, основатель крупных электротехнических компаний. Усовершенствовал телеграф, телефон, лампу накаливания для промышленного производства.
Газонаполненная лампа накаливания изображена на рисунке 87. Выдающимся изобретением в области освещения было создание русским инженером Александром Николаевичем Лодыгиным электрической лампы накаливания. Лампу, удобную для промышленного изготовления, с угольной нитью создал американский изобретатель Томас Эдисон.
Рис. 87. Лампа накаливания:
1 — спираль; 2 — стеклянный баллон; 3 — цоколь; 4 — изолированное основание цоколя; 5 — пружинящий контакт патрона
Промышленность выпускает лампы накаливания на напряжение 220 В (для осветительной сети), 50 В (для железнодорожных вагонов), 12 В (для автомобилей), 3,5 и 2,5 В (для карманных фонарей).
Сегодня лампы накаливания, имеющие малый срок службы, а также низкую световую отдачу, вытесняются люминесцентными и светодиодными лампами.
Энергосберегающие лампочки (люминесцентные) более экономичны и служат гораздо дольше (рис. 88). В них 70% энергии преобразуется в свет, а в лампочке накаливания только 5%, остальная часть энергии (90—95%) переводится в тепло.
Рис. 88. Энергосберегающая лампа:
1 — электронный блок; 2 — стеклянная колба, покрытая люминофором; 3 — цоколь
Энергосберегающая лампочка состоит из колбы, наполненной парами ртути и аргона, и пускорегулирующего устройства. На внутреннюю поверхность колбы нанесено специальное вещество — люминофор, которое при воздействии ультрафиолетового излучения испускает видимый свет.
В светодиодных лампах электрический ток пропускают не по нити накала, а через миниатюрное электронное устройство (ЧИП — от англ. chip — миниатюрный), нанесённое на полупроводниковый кристалл. При прохождении электрического тока светодиод испускает свет.
Соотношение мощностей ламп
В последние годы светодиодные лампы находят применение при освещении помещений, их устанавливают в светофорах, фарах автомобилей. Светодиоды используют как индикаторы включения на панелях приборов, цифровых и буквенных табло, подсветке мобильных телефонов, мониторов и др.
Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плиты, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат зерно, приготовляют силос.
Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (1000—1200 °С). Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием «нихром». Удельное сопротивление нихрома
что примерно в 70 раз больше удельного сопротивления меди. Большое удельное сопротивление нихрома даёт возможность изготовлять из него весьма удобные — малые по размерам — нагревательные элементы.
Электронагревательные приборы
В нагревательном элементе проводник в виде проволоки или ленты наматывается на пластинку из жароустойчивого материала: слюды, керамики. Так, например, нагревательным элементом в электрическом утюге служит ни-хромовая лента, от которой нагревается нижняя часть утюга.
Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы
Этот закон определяет количество теплоты, выделяющееся в проводнике, по которому протекает электрический ток.
Если по проводнику достаточно долго протекает электрический ток, то проводник нагревается. Нагрев проводника мы можем определить по изменению температуры. В разных проводниках, в зависимости от электрического сопротивления, нагрев будет разный.
2. Принцип работы лампы накаливания
Первое, самое известное применение теплового действия, – это свечение лампы, нагрев проводника до белого каления.
Широко распространенные на сегодняшний день лампы накаливания устроены достаточно просто (рис. 1).
Рис. 1. Лампа накаливания
Главная часть лампы – это нить накаливания, которая выполняется из вольфрама (или из сплава, в который входит вольфрам). Вольфрам используют потому, что это очень тугоплавкий материал, температура плавления вольфрама составляет более 3000 0 С. Вольфрамовая нить, нагреваясь, ярко светится и создает интенсивное световое излучение.
Кроме нити накаливания в лампе существуют подводящие контакты.
Вольфрамовая нить, если ее нагревать в воздухе, достаточно быстро перегорит. Это происходит потому, что при нагревании она окисляется и разрушается. Поэтому в лампе накаливания вольфрамовую нить помещают внутрь стеклянной колбы, из которой удаляют воздух. Концы вольфрамовой нити подключают к контактам. Два контакта подключаются к двум важным точкам лампы – один контакт присоединяется к спирали, которая вворачивается в патрон, второй контакт подсоединяется к одному из контактов в нижней части цоколя. Так обеспечивается протекание электрического тока.
При протекании электрического тока нить лампы накаливания может нагреваться до , что обеспечивает достаточно яркое свечение.
Есть различные лампы: одни горят ярко, дают много света, другие – достаточно тускло. Это зависит от того, какая используется спираль. Если спираль будет более тонкая, лампа будет гореть ярче. Если спираль толще, соответственно, сопротивление у нее другое, гореть эта лампа будет тусклее.
3. КПД различных ламп
В результате исследования ламп накаливания выяснилось, что коэффициент полезного действия у таких ламп очень невысок.
Коэффициент полезного действия ламп накаливания составляет 4 %. У ламп дневного света коэффициент полезного действия составляет 15 %, а у ламп наружного освещения коэффициент полезного действия – 25 %.
4. Другие нагревательные приборы
Кроме ламп накаливания существуют и другие нагревательные приборы. Это различные обогреватели, ковры-обогреватели, электрические плиты. На нагревании, то есть на законе Джоуля-Ленца, основаны такие приборы, как кипятильники, утюги, фены и т. д.
Во все этих приборах используется один и тот же принцип: нагревание проводника при протекании электрического тока. Во всех нагревательных приборах используется нагревательный элемент, который представлен либо в виде ленты, либо достаточно мощного провода (рис. 2).
Рис. 2. Различные нагревательные элементы
Электрические приборы используют нагревательные элементы разной формы и конфигурации. В утюгах это может быть один нагревательный элемент, а в электрической плите – другой. Во всех нагревательных приборах преследуется цель создания удобного и большого количества теплоты, которое можно использовать.
5. Постоянная температура нагревания электрических приборов
Почему во всех нагревательных приборах температура нагревания остается постоянной?
Нагревание проводника связано с электрическим сопротивлением. А электрическое сопротивление проводника зависит от температуры. Чем температура проводника ниже, тем сопротивление проводника меньше. Если проводник нагревается, его сопротивление увеличивается. Изменение электрического сопротивления при нагревании приводит к тому, что все время поддерживается одна и та же мощность, которая выделяется при нагревании в проводнике.
На сегодняшний день нагревательные элементы приобретают особое значение. В ближайшее время можно ожидать появления обогреваемых тротуаров, отапливаемых улиц, а не только использование нагревательных приборов в помещениях.
6. Завершение
Вывод
Вы узнали о практическом применении закона Джоуля – Ленца. Познакомились с принципом работы лампы накаливания, а также других электрических нагревательных приборов.