Содержание:
Что такое лампа накаливания
Лампа накаливания — источник искусственного света, который работает в результате нагревания током металлической, чаще всего вольфрамовой, нити в прозрачном сосуде, чаще всего заполненного инертным газом [1]. Слово произошло от латинского lampas, что значит «факел».
Лампы накаливания широко вошли в быт в конце XIX века, до этого в качестве источника освещения служили свечи, керосиновые и масляные светильники.
В качестве тела накала, как правило, используется вольфрамовая нить, она помещена в стеклянную колбу. Нить при подключении к току раскаляется до 2,5 тыс. ºC и начинает светиться. Причем лишь 5% энергии превращается в свет, остальное — в тепло, поэтому лампа накаливания — это в большей степени тепловой прибор [2]. Одно устройство работает около 1 тыс. ч.
У такого источника света есть множество преимуществ: невысокая цена, компактность, большой выбор мощностей, быстрое включение. Среди минусов можно выделить сильную яркость, которая может негативно отразиться на зрении, а также высокое потребление энергии. В 2011 году в России запретили к обороту электрические лампы накаливания мощностью 100 Вт и выше. Многие постепенно переходят на энергосберегающие источники света.
Но классическая «лампочка Ильича» продолжает оставаться одним из популярных устройств для освещения помещений. Недавно появились сообщения, что американским ученым удалось повысить ее КПД до 40%.
Кто и когда изобрел лампочку
«Отцом» лампочки считается Томас Эдисон. Он получил патент на свое изобретение, изменившее мир, в 1880 году [3]. Но изучение свойств и возможностей электрического тока велось с XVIII века, и этому открытию способствовали исследования других ученых:
- Итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году описал гальваническую батарею — прообраз источников тока для лампы накаливания [4].
- Российский физик-экспериментатор Василий Петров в 1802 году обнаружил явление электрической дуги и предложил применять ее в металлургии и для освещения помещений [5].
- Английский физик Хамфри Дэви опубликовал работу об электрической дуге в 1809-м, но попытки внедрить электрическую лампу с двумя углеродными стержнями оказались безуспешными, так как устройство было довольно сложным в использовании [6].
- Британский астроном Уоррен де ла Рю в 1840 году провел эксперимент и применил в стеклянном цилиндре платиновую проволоку как элемент накаливания. Из-за большой стоимости его лампа не нашла широкого применения [7].
- Английский физик Джозеф Свон использовал в 1850-х годах в своих экспериментах бумажную нить, насыщенную углекислым газом, но его изобретения было чревато высоким риском возгорания. В 1878 году он представил лампу с хлопковой нитью [8].
Лампочка Эдисона: история создания
Источники, которыми освещали помещения до появления лампы накаливания, были либо слишком тусклыми, либо дорогими и к тому же недолговечными. Поэтому ученые долгие годы бились над решением задачи, как создать недорогой и долговечный источник искусственного света, который бы подходил для широкого использования.
Томас Эдисон провел около тысячи опытов, прежде чем достиг успеха. Главный элемент, над которым нужно было работать, — нить, производящая свет. В 1878 году Эдисон вместе с инвесторами основывал компанию Edison Electric Light CO [9].
Ключом к долговечной лампочке оказалась карбонизированная бамбуковая нить, которую впоследствии заменили на вольфрамовую. В 1879 году Эдисон публично продемонстрировал лампочку, которая могла работать 14,5 ч. Позже изобретатель придумал и цоколь с резьбой, который есть у современных лампочек. 27 января 1880 года он получил патент на свое изобретение.
В 1881 году, после создания завода по производству лампочек в Восточном Ньюарке, начинается их повсеместное внедрение: первая коммерческая система электрического освещения из 400 устройств была установлена в финансовом районе Нижнего Манхэттена в 1882 году. Спустя год компания обслуживала уже 513 клиентов, которые использовали 10,3 тыс. ламп. Фирма Edison создала несколько предприятий для производства и эксплуатации оборудования, систему освещения продемонстрировали на Парижской всемирной выставке, доставили в Хрустальный дворец в Лондоне и на коронацию царя Александра III в Москве.
Кто изобрел лампочку в России
«Свеча Яблочкова»
Российский электротехник Павел Яблочков также был одержим идеей сделать надежную и простую лампу. Он начал работать над этим в России, но в 1875 уехал в Париж.
По время одного из опытов параллельные друг другу угли случайно соприкоснулись в сосуде с электролитом, и между ними вспыхнула дуга. Яблочков придумал конструкцию с параллельными электродами, которые бы выгорали одновременно, поэт ому длину дуги не нужно было бы регулировать механическим способом. В марте 1876 года он завершил работу над дуговой лампой без регулятора — электрической свечой, и получил на нее патент во Франции.
В 1876 году в Лондоне представили «свечу Яблочкова» (его лампа внешне напоминала свечу), а через год устройство уже освещало улицы Лондона, Парижа и Берлина [10].
Изобретение лампочки Александром Лодыгиным
Яблочков в своих экспериментах опирался на разработки Александра Лодыгина. Российский ученый изобрел свою лампу в 1872 году, когда пропустил ток через угольный стержень в стеклянной колбе без воздуха. Именно Лодыгин придумал помещать нить в вакуум, чтобы она выгорала медленнее. Его лампы стали первыми электрическими осветительными приборами на улицах Петербурга в 1873 году [11].
В 1874 Лодыгин получил патент в России на свою лампу накаливания, организовал компанию «Русское товарищество электрического освещения». Позже получил патенты также в Испании, Италии, Бельгии, Швеции, Англии, Индии, но не в США. Именно он придумал использовать вольфрамовую нить, которая применяется в лампах накаливания и сегодня.
Постепенно лампы Лодыгина были вытеснены более дешевыми и совершенными «свечами Яблочкова», и в 1906 году изобретатель уехал в Америку и продал свой европейский патент на лампу с вольфрамовой нитью компании Эдисона General Electric [12].
Будущее лампы накаливания
В последнее время в тренде — энергосберегающие технологии, поэтому лампы накаливания, хотя и остаются в продаже, все же уступают пальму первенства другим источникам света.
Параллельно с лампой накаливания развивалась история люминесцентной лампы. В 1856 году немецкий физик Генрих Гейслер с помощью соленоида сделал так, что газ в стеклянном сосуде стал светиться синим светом. Корпорация Томаса Эдисона General Electric позже выкупила патент, и люминесцентные лампы (для них закрепилось народное название «лампы дневного света») стали широко применяться [13]. Сегодня их используют, в основном, в различных учреждениях — поликлиниках, школах, детских садах, а также в жилых помещениях.
Еще один вид ламп — галогенные, это модификация лампы накаливания. в колбу которой добавлены пары галогена (фтор, йод, хлор), что повышает температуру спирали накаливания и яркость устройства. Металлогалогенные лампы используют для освещения больших пространств: промышленных зданий, теплиц, сельскохозяйственных ферм, стадионов, выставочных залов, подсветки фасадов. Лампы специального назначения используются для освещения аквариумов, помещений для содержания животных, теплиц и парников.
В 2014 году в Швеции вручили Нобелевскую премию за изобретение синего светодиода (LED) [14]. Светодиодные лампы оказались более долговечными, безопасными и экономичными, чем предшественницы, они наносят меньший урон климату и окружающей среде. Многие эксперты поставили будущее ламп накаливание под вопрос. а экоактивисты и производители даже объединились в движение Global Lighting Challenge, их цель — максимально отказаться от ламп накаливания и заменить их на 10 млрд светодиодных осветительных устройств [15].
Впрочем вытесняющие изобретение Эдисона энергосберегающие лампы также не идеальны. Не стоит использовать LED-светильники с высокой цветовой температурой в детской комнате или спальне. Синий свет негативно сказывается на зрении и биоритмах. А некоторые виды светодиодных ламп могут иметь ограничения в работе при низких температурах или при высокой влажности.
Есть ли будущее у привычной лампочки
Может быть, с лампой накаливания все же рано прощаться. Например, сотрудникам MIT удалось увеличить световую эффективность лампочки накаливания: металлическую нить окружили кристаллической структурой, которая отражает большую часть тепла обратно в металл, что повышает светимость. Теоретически, таким образом можно повысить КПД лампочки до 40% [16]. Созданный учеными прототип в три раза эффективнее стандартных ламп накаливания, но пока это лишь эксперимент, далекие от практического применения.