Как работает лампа накаливания

Свет от горячего

Лампа накаливания — источник света, в котором светится тело накала, нагретое электрическим током до высокой температуры^[1]. Обычно это спираль из вольфрама, иногда угольная нить^[1].

Работает простое правило: любое тело излучает электромагнитные волны, и чем оно горячее, тем короче волны в его излучении — это закон смещения Вина^[1]. Чтобы глаз увидел свечение хотя бы в темноте, нужно больше 570 °C — это начало красного каления. Нить лампы раскаляют до 2000–2800 °C^[1].

Почему свет жёлтый

Идеальный для глаза свет — как у Солнца, чья поверхность нагрета примерно до 5770 K. Но твёрдых веществ, которые выдержали бы такую температуру, нет^[1]. Вольфрам плавится при 3410 °C — потому его и выбрали: он тугоплавкий и сравнительно недорогой^[1].

Из-за «недогрева» спектр лампы сдвинут в красную сторону: свет тёплый, желтоватый, его цветовая температура — 2200–2900 K^[1].

Куда уходит энергия

Почти вся энергия, поданная на лампу, превращается в излучение. Но глаз видит лишь узкую полосу, а основная часть приходится на невидимое инфракрасное излучение — тепло^[1].

• У обычной лампы на 60 Вт нить нагрета примерно до 2700 K, и в видимый свет уходит около 5% энергии; служит такая лампа около 1000 часов^[1].
• Если раскалить нить до 3400 K, доля света вырастет до 15% — но лампа проживёт всего несколько часов ^[1].
• Если поднять напряжение на 20%, яркость вырастет вдвое, а срок службы упадёт на 95%. А при вдвое меньшем напряжении лампа светит в 4–5 раз хуже, зато служит почти в тысячу раз дольше — так делают дежурное освещение ^[1].

Зачем в колбе аргон

На воздухе раскалённый вольфрам мгновенно окислился бы. Поэтому из колбы откачивают воздух или наполняют её инертным газом — чаще всего аргоном, иногда криптоном^[1]. Газ ещё и замедляет испарение металла: колба темнеет медленнее, а лампа служит дольше^[1].

Почему лампочка перегорает при включении

У вольфрама сопротивление растёт с температурой. У холодной нити оно примерно в 10 раз меньше, чем у раскалённой^[1]. Поэтому в первый миг через лампу идёт большой ток, и тонкое место нити не выдерживает — лампочки чаще всего перегорают именно в момент включения^[1].

Зато, разогревшись, нить сама ограничивает ток. Поэтому лампу можно включать прямо в сеть, без дополнительных устройств — в отличие от люминесцентной^[1].

Для изготовления обычной лампочки нужно как минимум семь разных металлов: держатели нити, например, делают из молибдена^[1].

Кто изобрёл

Единственного изобретателя у лампы нет — это история нескольких десятилетий^[1][2].

• 1840 — англичанин Уоррен Де ла Рю пропускал ток через платиновую проволоку в стеклянной трубке ^[1].
• 1874 — Александр Лодыгин получает русский патент № 1619 на лампу с угольным стержнем в запаянном сосуде без воздуха^[1].
• 1878 — британский патент Джозефа Суона на лампу с угольной нитью^[1].
• 1879 — Томас Эдисон патентует свою лампу с угольной нитью, которая горела 40 часов. Подбирая материал, он провёл около 1500 опытов с разными веществами и ещё около 6000 — с обугливанием растений. Он же придумал бытовой поворотный выключатель и унифицированные цоколи^[1].
• 1890-е — Лодыгин предлагает нити из вольфрама и молибдена и закручивает нить спиралью; в 1906 году он продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric^[1].
• 1904 — австро-венгерские инженеры Шандор Юст и Франьо Ханаман патентуют вольфрамовую нить; с 1905 года такие лампы продаёт фирма Tungsram^[1].
• 1910 — Уильям Кулидж изобретает способ делать гибкую вольфрамовую нить, и вольфрам вытесняет все остальные материалы^[1].
• Ирвинг Ленгмюр, с 1909 года работавший в General Electric, вводит в производство колбы, наполненные инертным газом — лампы служат дольше и светят ярче^[1].

Конец эпохи

Из-за низкого КПД лампы накаливания во многих странах стали ограничивать. В Евросоюзе поэтапный запрет начался 1 сентября 2009 года — сначала с ламп мощностью 100 Вт и больше^[1]. В России по закону об энергосбережении с 1 января 2011 года нельзя продавать лампы накаливания мощностью 100 Вт и более ^[1].

Им на смену пришли люминесцентные, а затем светодиодные лампы. Как они устроены — в статье «Как работает светодиодная лампа», а про то, что течёт в проводах к лампочке, — в статье «Напряжение в розетке».