Лампа накаливания

Как шли к открытию?

История лампы накаливания началась в начале XIX века. В школьном курсе физике принято считать изобретателем лампы накаливания Томаса Эдисона (1847–1931), однако, у изделия имелись прародители.

В 1803 году русский изобретатель Василий Владимирович Петров (1761–1834) изучая проводимость материалов, получил электрическую дугу между угольными проводниками. Он предложил пользоваться явлением для освещения пространства. Однако, из-за быстрого сгорания угля, практического применения открытие в те годы не получило.

Подробнее о В.П. Петрове рассказано в видео:

Научно описал в 1809 г. дуговой разряд между угольными стержнями сэр Гемфри Дэви (1778–1829) – создатель английской школы электрохимии. Труды стали основой для последующих открытий. Только в 1838 году бельгийцем Жобаром создан устойчиво работающий прототип лампы с угольным сердечником, горение проходило в воздушной среде, поэтому разрушение электрода завершалось очень быстро.

Вскоре, в 1840 году членкор Петербургской академии наук англичанин по происхождению Уоррен Деларю (1815–1989) в качестве материала нити накаливания использовал платину. Устройство успешно освещало помещение, но из-за дороговизны драгоценного металла и его низких прочностных свойств, до промышленного использования дело не дошло.

Устройства Жобара и Деларю стали прорывом в науке, но запатентованы не были.

Первый патент удалось получить ирландцу Фредерику де Моллейну в 1841 году. Устройство представляло собой спираль из платины, находящуюся в вакууме – это увеличивало срок использования.

Американец Джон У. Старр в 1844 г. получил американский, а в следующем году британский патент на лампочки с углеродной нитью. Работы остановились, серия лампа не пошла в связи со смертью изобретателя.

Не прошел мимо изучения электрической дуги и великий французский ученый Жан Бернар Фуко. Заменив в 1844 древесный уголь на ретортные угольные электроды, он добился увеличения срока использования устройства, придумав попутно «первый диммер» – интенсивность света регулировалась изменением длины электрической дуги.

Следующий шаг был сделан Генрихом Гебелем из Германии. Он вел эксперименты, использовав в качестве электродов обугленные палочки бамбука, находящиеся в вакууме колбы. Прибор Гебеля считается прототипом первой лампочки.

С 1860 по 1878 год англичанин Джозеф Вильсон Свон (Суон) работал над применением угольного волокна и получил в итоге патент на изобретение лампы. Особенностью прибора стала разреженная кислородная атмосфера, в которой нагревалось и излучало видимый свет угольное волокно. Технология позволила увеличить видимое свечение.

Параллельно со Своном проводил эксперименты и получил в 1874 г. патент на нитевую лампу российский ученый А.Н.Лодыгин. Василий Федорович Дидрихсон российский ученый усовершенствовал конструкцию своего соотечественника. Из колбы откачали воздух, и было установлено несколько электродов. После сгорания одного, начинал светиться следующий электрод – время службы повысилось.

В 1976 г. российский физик Павел Николаевич Яблочков, изучая изоляционные материалы, применил обмазку нити белой глиной (каолином). Лампа светилась на воздухе, не требуя создания вакуума. Для пуска приходилось подогревать нити спичками. Сам изобретатель скептически относился к  электрическому освещению и прекратил работу в этом направлении. Однако, некоторое время лампы Яблочкова выпускались в промышленном масштабе, но в итоге были вытеснены лампами накаливания. Такими приборами освещался Париж, Лондон, Санкт-Петербург, устанавливались светильники на паровозах и кораблях.

Томасу Эдисону (США) удалось усовершенствовать изобретения Лодыгина и Яблочкова. В 1880 году был получен патент на лампу с угольными электродами.

Борьба за патенты

К концу 1870-х гг. свою исследовательскую деятельность начал выдающийся инженер и изобретатель Томас Эдисон, живший в США. В процессе создания лампы он перепробовал разные металлы для нитей накаливания. Изначально учёный полагал, что решение проблемы электрических лампочек можно за счёт автоматического их отключения при высоких температурах. Но эта идея не сработала, так как постоянное выключение холодной лампы приводило лишь к получению непостоянного мерцающего излучения. Существует версия, что в конце 70-х гг. лейтенант русского флота Хотинский привёз несколько лампочек накаливания Лодыгина и показал их Эдисону, что и повлияло на его дальнейшие разработки.

Не останавливаясь на своих достижениях в Англии, Джозеф Суон (Joseph Swan), уже известный на тот момент в научных кругах, в 1878 году запатентовал лампу с угольным волокном. Оно помещалось в разреженную атмосферу с кислородом, поэтому свет выходил очень ярким. Уже через год в Англии появилось электрическое освещение в большинстве домов.

То́мас А́льва Эдисон

Тем временем, Томас Эдисон взял на работу в свою лабораторию Френсиса Аптона

Вместе с ним материалы стали тестировать точнее, и внимание было приковано к недочётам предыдущих патентов. В 1879 г

Эдисоном была запатентована лампочка с платиновой основой, а уже через год учёный создал лампу с угольным волокном и бесперебойным действием на 40 часов. За время работы американец провёл 1,5 тысячи испытаний и смог создать также поворотный выключатель бытового типа. Никаких новых изменений в электрическую лампочку Лодыгина Томас Эдисон в принципе не внёс. Просто из его стеклянной сферы с угольной нитью выкачивалась большая доля воздуха. Важнее то, что американский учёный разработал надсистему для лампочки, изобрел винтовой цоколь, патрон и предохранители, а в последствии организовал массовое производство.

Новые источники света смогли вытеснить газовые, а само изобретение некоторое время называлось лампой «Эдисона-Суона». В 1880 году Томас установил самое верное значение вакуума, которое создавало самое устойчивое безвоздушное пространство. Из лампочки воздух откачивали с помощью ртутного насоса.

К концу 1880 года бамбуковые волокна в лампочках могли гореть около 600 часов. Этот материал из Японии был признан лучшим угольным компонентом органического типа. Поскольку бамбуковые нити стоили довольно дорого, изготавливать их Эдисон предложил из хлопковых волокон, обработанных специальных способов. Первые компании для возведения крупных электрических систем были созданы в Нью-Йорке в 1882 году. В этот период Эдисон даже подавал в суд на Суона по поводу нарушения авторских прав. Но в итоге учёные создали совместную фирму «Edison-Swan United», которая довольно быстро выросла в мирового лидера по производству электрических лампочек.

За свою жизнь Томас Эдисон смог получить 1093 патента. Среди его известных изобретений: фонограф, кинетоскоп, телефонный передатчик. Однажды его спросили, не обидно ли было ошибаться 2 тысячи раз перед созданием лампочки. Учёный ответил: «Я не ошибался, а обнаружил 1 999 способов, как не нужно делать лампочку».

Что такое лампа накаливания

То есть физическое явление излучения света вызвано нагревом нити накала.

Краткая история лампы накаливания

Первые лампы

Лампы накаливания являются оригинальной формой электрического освещения и используются уже более 100 лет. В то время как Томас Эдисон считается изобретателем лампы накаливания, есть ряд людей, которые изобрели компоненты и прототипы лампочки задолго до Эдисона.

В 1802 году Хамфри Дэви изобрел первый электрический свет. Он экспериментировал с электричеством и изобрел электрическую батарею. Когда он подсоединил провода к своей батарее и кусочку углерода, углерод засветился, производя свет. Его изобретение было известно как электрическая дуговая лампа. И хотя она производила свет, углерода хватало ненадолго, и свет был слишком ярким для практического использования.

Одним из первооткрывателей был также британский физик Джозеф Уилсон Свон, который фактически получил первый патент на лампочку накаливания с углеродной нитью накаливания в 1878 году. Дом Свона был первым в мире, освещенным электрической лампочкой. Свон разработал более долговечную лампочку с использованием обработанной хлопчатобумажной нити, которая также устранила проблему раннего почернения лампы.

Эдисону часто приписывают данное изобретение, потому что его версия смогла превзойти более ранние версии благодаря сочетанию трех факторов: эффективный материал накаливания, более высокий вакуум и высокое сопротивление, которое сделало распределение электроэнергии от централизованного источника экономически выгодным.

В 1906 году компания «Дженерал Электрик» первой запатентовала метод изготовления вольфрамовых нитей для использования в лампах накаливания. Сам Томас Эдисон знал, что вольфрам окажется лучшим выбором для нитей накаливания.В 1910 Уильям Дэвид Кулидж усовершенствовал процесс производства, чтобы получить самые долговечные вольфрамовые нити.В 1920-е годы были выпущены первая лампа с матовым покрытием и лампа с регулируемой мощностью для автомобильных фар и неонового освещения.1930-е ознаменовались изобретением маленьких одноразовых фотовспышек для фотографии и люминесцентной лампы для загара.1950-е годы — производство кварцевого стекла и галогенной лампы накаливания.В 1990-е годы начинают продаваться лампы с длительным сроком службы и компактные люминесцентные лампы.

Современные лампы накаливания не являются энергоэффективными — менее 10% электроэнергии, подаваемой в лампу, преобразуется в видимый свет. Оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Однако эти неэффективные лампочки по-прежнему широко используются сегодня благодаря таким преимуществам, как:

• широкая и недорогая доступность;
• простое встраивание в электрические системы;
• возможность работы при низком напряжении, например, в устройствах с батарейным питанием;
• широкий ассортимент формы и размера.

К несчастью для лампы накаливания, законодательство многих стран, включая США, предписывает постепенно отказаться от нее в пользу более энергоэффективных вариантов, таких как компактные люминесцентные лампы и светодиодные лампы. Однако эта политика встретила значительное сопротивление из-за низкой стоимости ламп накаливания, мгновенной доступности света и опасений загрязнения ртутью из-за люминесцентных ламп. Однако теперь значительно снизились цены на светодиоды. 

Сравнение разных модификаций источника света

Элементом накаливания в первой лампе по версии Лодыгина выступал угольный стержень, помещенный в герметичную стеклянную емкость, откуда предварительно откачивали воздух. Прибор светил около получаса и мог использоваться вне лаборатории. Позже этот вариант был доработан В.Ф. Дидрихсоном – в его варианте в одном устройстве присутствовало несколько нитей, и когда одна из них перегорала, автоматически зажигалась следующая. Еще через год появился новый вариант устройства – в нем был один длинный уголек, выдвигающийся из патрона в колбу по мере сгорания.

Первая лампочка Эдисона была более совершенной, чем вариант Лодыгина – даже начальные ее, самые простые модификации горели около 40 часов и были весьма доступны в производстве. Вначале ученый применял платиновую спираль, позже вернулся к угольной нити. Сначала нитями накаливания выступали обугленные бамбуковые волокна. Использование карбонизированного бамбука позволило увеличить период горения прибора до 1200 часов. Затем, для удешевления конструкции, бамбук заменили хлопковыми нитями. Параллельно с этим лампочка Томаса Эдисона «обрастала» дополнительными необходимыми аксессуарами:

• выключателем;
• винтовым патроном;
• цоколем с такой же винтовой резьбой.

Лодыгин, эмигрировавший к тому времени в США, не оставлял своих научных трудов и продолжал изобретать. В середине 1890-х годов он впервые использовал как нить накала тугоплавкий металл, проводил эксперименты с разными газовыми средами в колбах. Через несколько лет И. Ленгмюр, ученый из Америки, впервые придумал заполнить лампу инертным газом. Это существенно повысило время работы прибора. С тех пор почти вся такая продукция использует в качестве заполнения колбы аргон.

Долгое время Thomas Edison& Joseph Wilson Swan были единственной компанией в мире по выпуску осветительной продукции. Первая американская фабрика подобной специализации – The Shelby Electric Company – открылась на рубеже XXI и XX столетий изобретателем А. Шайе, бывшим сотрудником General Electric. Шайе внес свои собственные изменения в уже существующие наработки. Его лампочки:

• светили на 20% ярче остальных;
• служили на 30% долговечнее аналогов;
• были нечувствительными к скачкам напряжения в сети.

Завод был рассчитан на объемы 2000 ламп в день, но уже через год ему пришлось расширить производство до 4000 штук в сутки – настолько продукция была востребована.

Однако фирма, сосредоточившись на выпуске ламп своей собственной разработки, не успевала идти в ногу со временем и модернизировать производственные процессы, ориентируясь на инновационные технологии. В итоге угольные лампочки Шелби не смогли конкурировать с все более популярными вариантами, оснащенными вольфрамовыми нитями. В 1914 году данная фабрика была выкуплена компанией General Electric.

Современная электрическая лампа накаливания по конструкции не отличается принципиально от своих предшественников. Она представляет собой герметичную стеклянную колбу, заполненную аргоном либо полностью лишенную газовой среды (давление внутри ниже 0,1 МПа), внутри которой раскаляется вольфрамовая спираль. Металлическая нить, под воздействием электрического тока, способна испускать световой поток.

Однако современные лампы имеют одну особенность: в их конструкции присутствует элемент, которого не было у предшественников: предохранитель из ферроникелевого сплава, ввариваемый в ножку одного из токовводов. Он предупреждает разрушение стеклянной оболочки лампы в момент разрыва нити. Ведь при ее разрушении в колбе создается электрическая дуга, способная повредить стекло. Предохранитель призван нейтрализовать дугу сразу же в момент ее появления.

История создания ламп накаливания

Спирали далеко не сразу стали изготавливать из вольфрама. Применялись графит, бумага, бамбук. Много людей шло параллельным путем, создавая лампы накаливания.

Бессильны привести список 22 имен ученых, называемых зарубежными писателями авторами изобретения. Неправильно приписывать заслуги Эдисону, Лодыгину. Сегодня лампы накаливания далеки от совершенства, стремительно теряют маркетинговую привлекательность. Превышение амплитуды питающего напряжения на 10% (половину пути – 5% – РФ проделала в 2003 году, подняв вольтаж) номинала сокращает срок службы вчетверо. Снижение параметра закономерно урезает отдачу светового потока: 40% теряется при эквивалентном относительном изменении характеристик питающей сети в меньшую сторону.

Пионерам гораздо хуже. Джозеф Сван (Joseph Swan) отчаялся добиться достаточной разреженности воздуха колбы лампы накала. Насосы (ртутные) того времени неспособны выполнить задачу. Нить сгорала посредством сохранившегося внутри кислорода.

Усилия ученых мужей ограничивались следующими направлениями:

Выбор материала нити. Критериями выступали одновременно высокое сопротивление, устойчивость к горению. Волокна бамбука, являющегося изолятором, покрывали тонким слоем проводящего графита. Малая площади проводящего слоя угля повышало сопротивление, давая нужный результат.
Однако древесная основа быстро воспламенялась. Вторым направлением считаем попытки создать полный вакуум. Кислород известен с конца XVIII века, ученые мужи быстро доказали: элемент участвует в горении

В 1781 году Генри Кавендиш определил состав воздуха, начиная разрабатывать лампами накала, слуги науки ведали: земная атмосфера разрушает нагретые тела.
Важно передать напряжение нити. Шла работа, преследующая цели создания разъемных, контактных частей цепи

Понятно, тонкий слой угля снабжен большим сопротивлением, как подвести электричество? Трудно поверить, пытаясь достичь приемлемых результатов, использовали ценные металлы: платина, серебро. Получая приемлемую проводимость. Недешевыми путями удавалось избежать нагрева внешней цепи, контактов, нить накалялась.
Отдельно отметим резьбу цоколя Эдисона, используемую поныне (Е27). Удачная идея, легшая в основу быстро заменяемых лампочек накала. Прочие способы создания контакта, наподобие пайки, мало годятся. Соединение способно распасться, разогретое действием тока.

Лампа Эдисона

Стеклодувы XIX века достигли профессиональных высот,  колбы изготавливали запросто. Отто фон Герике, конструируя генератор статического электричества, рекомендовал сферическую колбу залить серой. Материал застынет – стекло разбить. Получался идеальный шар, при трении собирал заряд, отдавая стальному стержню, проходящему через центр конструкции.

Будущее лампы накаливания

В завершение попробуем заглянуть немного в будущее — какие перспективы у лампы накаливания? Определённо списывать её со счетов не стоит. Она была, есть и пока что будет самым дешёвым выбором в плане стоимости покупки, среди других приборов для получения искусственного света. Причём, такая тенденция сохранится ещё, минимум, лет на 20-30. Энергосберегайки так и не подешевели, да и на них уже мало кто смотрит. Светодиоды сколь-либо значительно подешеветь не могут, так как технология их производства сложна и затратна.

Эволюция источников света

О более продвинутых технологиях, которые разрабатываются уже сейчас, и вовсе говорить не стоит. Они изначально технически сложные и дорогостоящие. Хоть и предвещают немыслимый по меркам лампы накаливания КПД. Речь о графеновых источниках света, о которых мало кто из вас даже слыхал. Другие тоже уже есть. Но когда они придут в массы — предсказать сложно.

Однако надо честно признать, что будущее не за лампочками накаливания. Они, всё-таки, малоэффективны, недолговечны и так далее. Кроме того, в ряде стран, включая нашу, лампы накаливания постепенно запрещают на государственном уровне. Сегодня их даже продают, в качестве нагревательных приборов, а не осветительных.

В целом, чтобы лампа накаливания окончательно “вышла на пенсию”, человечество должно придумать источник света, не уступающий по гениальности царице ХХ века. Такой же простой, недорогой. Кто знает, возможно, с меньшим количеством недостатков. Хотя, наши дети, и даже внуки, вряд ли доживут до того времени, когда такой источник света придумают наши или зарубежные умы.

А вы ощутили экономию от перехода на более экономичные источники света?
Да, причём значительно 61.9%

Не совсем 23.81%

Совсем не ощутил(а) 14.29%

Я никуда не переходил(а) 0%

Проголосовало: 21

Мне нравится4Не нравится

Кто и когда первым в мире изобрел электрическую лампочку.

Все изменилось с изобретением электричества. Постепенно изобретатели нашли способ безопасно, ярко и дешево осветить дома всех людей.

В вопросе первенства изобретения лампочки, как и во многих других, отечественная и мировая точка зрения различаются. В России принято считать первооткрывателями Павла Николаевича Яблочкина и Александра Николаевича Лодыгина. Ученые придумали разные типы осветительных приборов. Яблочкин в 1875-1876 годах первым сконструировал дуговую лампу. Однако в дальнейшем ее признали неэффективной. Лодыгин же двумя годами ранее (1874 год) получил первый патент на лампу накаливания.

В мире же считается, что первая лампочка изобретена Томасом Эдисоном. Свой патент американский ученый получил в 1879 году, на пять лет позже Лодыгина. Эдисон после долгих экспериментов сконструировал прибор, горевший почти 40 часов — максимально возможный срок для того времени. Кроме этого, изобретатель добился удешевления производства, чтобы лампочку мог позволить себе каждый человек.

В вопросе первенства изобретения лампы нет однозначного ответа. Множество ученых в разных странах трудились над ней, но далеко не все патентовали свои открытия. Электрическую лампочку однозначно можно назвать коллективным детищем мирового научного сообщества.

Особенности работы лампочки Лодыгина

Для современных ламп накаливания, которые являются прямыми потомками модели Александра Лодыгина, характерны:

• отменный световой поток;
• отличная цветопередача;

Цветопередача лампы накаливания

• низкий показатель конвекции и проводимости тепла;
• температура накала нити — 3400 K;
• при максимальном уровне показателя температуры накала коэффициент для полезного действия составляет 15 %.

Кроме этого данный тип источника света в ходе своей работы потребляет много электроэнергии, по сравнению с другими современными лампочками. Из-за конструкционных особенностей такие лампы могут работать примерно 1000 часов. Но, несмотря на то, что по многим критериям оценки данная продукция уступает более совершенным современным источникам света, она, благодаря своей дешевизне, все еще остается актуальной.

Чуть позже лампочку Лодыгина усовершенствовал В. Дидрихсон, который установил в колбу несколько последовательно сгорающих нитей.

Изобретатель Павел Яблочков

Во время создания электрической свечи П. Яблочков заметил, что каолин (вид белой глины) хорошо проводит ток при нагревании. Тогда он изобрел электролампочку, где нить накала была сделана из каолина. Этот прибор отличается от других тем, что может работать даже под воздействием кислорода. Перед этим открытием П. Яблочков работал над дуговыми лампами во Франции.

При параллельном размещении элементов накаливания существовал риск перегорания токопроводящих зажимов. Чтобы избежать этого Яблочков добавил в конструкцию изолятор, который постепенно выгорал вместе с проводниками. В качестве изолятора использовалась белая глина. Благодаря перемычке из угля между нитями накала источник света загорался, а генератор переменного тока использовали, чтобы неравномерность выгорания проводников снизилась.

Такие лампочки недорого стояли и светили на протяжении 1.5 часов, поэтому их широко применяли для освещения улиц вместо свеч.

Американец Томас Эдисон

Во второй половине 1870 года началась исследовательская работа Т. Эдисона. Ведущий изобретатель тестировал лампы накалывания с проводниками из разных материалов, но безуспешно.

Эдисон пригласил к сотрудничеству Ф

Аптона, который предложил сосредоточить внимание на недочетах предыдущих изобретений. В 1879 году ученый получил патент на устройство с платиновыми электродами. Еще спустя год он открыл угольный прибор, который работал без перерыва 40 часов

Кроме того, Эдисон стал первооткрывателем поворотного выключателя

Еще спустя год он открыл угольный прибор, который работал без перерыва 40 часов. Кроме того, Эдисон стал первооткрывателем поворотного выключателя.

Он внес незначительные изменения в изобретение Лодыгина: выкачал больше воздуха из колбы, сконструировал винтовой цоколь, который более известен под названием цоколь Эдисона, патрон и предохранители. Он снизил себестоимость прибора и организовал его массовое производство. Новые осветительные элементы вытеснили старые газовые. В 1880 году он увеличил срок бесперебойной работы лампы до 1200 часов.

Как появились искусственные источники света

История ламп накаливания связана со многими изобретателями. До того времени, когда русский физик Александр Лодыгин стал работать над ее созданием, уже были разработаны первые модели ламп накаливания. В 1809 году английский изобретатель Деларю разработал модель, которая была оснащена платиновой спиралью. История ламп накаливания связана и с изобретателем Генрихом Гебелем. В образце, созданном немцем, обугленная бамбуковая нить помещалась в сосуд, из которого предварительно выкачивали воздух. Гебель занимался модернизацией своей модели лампы накаливания на протяжении пятнадцати лет. Ему удалось получить рабочий вариант лампочки накаливания. Лодыгин добился качественного свечения угольного стержня, помещенного в стеклянном сосуде, из которого был удален воздух.

Коэффициент полезного действия

Практически вся энергия, которая получается в лампу, постепенно переходит в тепловое излучение. КПД достигает 15 процентов при температурном показателе 15 процентов.

По мере повышения значения температуры происходит увеличение коэффициента полезного действия, но это вызывает существенное снижение эксплуатационного срока службы лампы.

При 2700 К срок полноценного использования искусственного источника света составляет 1000 часов, а при 3400 К — несколько часов.

Для того чтобы повысить долговечность лампы накаливания, разработчики предлагают уменьшать значение напряжения питания. Безусловно, при этом КПД также будет снижаться примерно в 4-5 раз. Такой эффект инженеры используют в тех случаях, когда требуется надежное освещение минимальной яркости. К примеру, это актуально для вечернего и ночного освещения строительных площадок, лестничных пролетов.

Для этого осуществляют последовательное подключение переменного тока лампы с диодом, что гарантирует подачу тока в лампу на протяжении половины всего периода подачи тока.

Учитывая, что цена обычной лампы накаливания существенно меньшее ее среднего срока эксплуатации, приобретение таких источников освещения можно считать достаточно выгодным мероприятием.