Изобретаем лампу накаливания

Часто простые и привычные устройства содержат в своей конструкции оригинальные и остроумные технические решения. Одним из таковых является обычная лампа накаливания. Давайте представим, что мы никогда не видели электрических ламп и нам предстоит их изобрести. Как мы будем действовать, с какими сложностями столкнёмся и как их преодолеем?

Итак, нам известно, что проводник при пропускании электрического тока нагревается. А что если нагреть его до таких высоких температур, что он начнёт светиться? Ведь мы видели, как светится тёмно-красным разогретая металлическая болванка в кузне…

Сказано — сделано. Берём алюминиевую проволоку и начинаем пропускать ток. Вот уже заметно небольшое свечение и тут… Проволока начинает плавиться!

Хм, значит, нужно взять более тугоплавкий металл. Температура плавления алюминия 660 град, меди 1083, железа 1538… Все они начнут плавиться до того, как свечение станет достаточно ярким. Лезем в справочник и находим: вольфрам — температура плавления 3695. То, что нужно!

Начинаем пропускать ток, вольфрамовая проволочка нагревается и вдруг... начинает гореть! Оказывается, при таких высоких температурах очень активно протекает реакция металла с кислородом воздуха, которая при комнатной температуре практически отсутствует.

Придётся придумать какую-то прозрачную колбу, в которую поместим нашу проволоку, откачаем из неё воздух или же заполним инертным газом. Теперь, кажется, работает.

Но нужно подобрать оптимальные параметры нашей проволоки. Если сечение будет слишком маленьким, будет слабо излучать. Слишком большое сечение приведёт к тому, что придётся брать очень длинную проволоку. Конечно, параметры проволоки будут зависеть от напряжения, которым мы собираемся питать нашу лампу.  Посидев с формулами закона Ома и мощности, а также удельного сопротивления, приходим к тому, что диаметр должен быть около 0.05 мм, а длина несколько метров. Для удобства свернём проволоку в спираль, чтобы занимала меньше места. И даже не просто в спираль, а в двойную спираль.

Что ж, конструкция работает, но не лишена недостатков. Первый момент: спираль находится в критических условиях, при очень высокой температуре. Значит, такое устройство не будет долговечным. Идеальную проволоку одинакового сечения по всей длине сделать невозможно. Где-то будет более тонкое место, или какие-то скрытые дефекты, там температура будет выше, и там в первую очередь будет идти медленное разрушение.

Второй момент: хотя спираль и укрыта колбой, всё равно корпус лампы нагревается за счёт излучения и теплопередачи. Лампа оказывается довольно пожароопасна, температура её поверхности может достигать 300 градусов у мощных ламп.

Третий момент, довольно неприятный. Сопротивление металла сильно зависит от температуры. При таком перепаде, как происходит в лампе, сопротивление меняется на порядок. Другими словами, лампа 60 Вт в момент включения, пока спираль ещё холодная, потребляет более 600 Вт. Такой скачок тока не очень полезен для квартирной электропроводки.

Впрочем, этот минус можно обратить и в плюс: лампа накаливания может быть прекрасным стабилизатором тока. Её включают последовательно со стабилизируемым устройством и подбирают параметры так, чтобы она работала примерно в полнакала. Тогда, если ток в цепи начнёт расти, температура спирали тоже возрастёт, а вместе с ней и сопротивление спирали, так что лампа будет противодействовать увеличению тока. Другими словами, если сопротивление нагрузки упадёт, то сопротивление лампы вырастет, скомпенсировав это падение, и наоборот.

Другой вариант преодоления этой проблемы — использовать стабилизаторы запуска. Однако это удорожает всю конструкцию.

Как вы знаете, сейчас лампы накаливания во многом вытеснены более эффективными типами осветительных приборов: энергосберегающими и светодиодными лампами, речь о которых пойдёт в отдельных статьях.