Электрический свет , лампа или лампочка — это электрический компонент , который производит свет . Это наиболее распространенная форма искусственного освещения . Лампы обычно имеют основание из керамики , металла, стекла или пластика, которое закрепляет лампу в патроне осветительного прибора , который часто также называют «лампой». Электрическое соединение с патроном может быть выполнено с помощью резьбового цоколя, двух металлических штифтов, двух металлических колпачков или байонетного крепления .
Три основные категории электрических ламп — это лампы накаливания, которые излучают свет с помощью нити накаливания , нагретой добела электрическим током , газоразрядные лампы , которые излучают свет с помощью электрической дуги , проходящей через газ, например, люминесцентные лампы , и светодиодные лампы , которые излучают свет с помощью потока электронов через запрещенную зону в полупроводнике .
Энергоэффективность электрического освещения радикально возросла с момента первой демонстрации дуговых ламп и ламп накаливания в 19 веке. Современные электрические источники света поставляются в изобилии типов и размеров, адаптированных для многих применений. Большая часть современного электрического освещения питается от централизованно генерируемой электроэнергии, но освещение может также питаться от мобильных или резервных электрогенераторов или аккумуляторных систем. Освещение на батарейках часто резервируется для случаев, когда и где стационарные светильники выходят из строя, часто в виде фонарей или электрических фонарей , а также в транспортных средствах.
До того, как электрическое освещение стало обычным явлением в начале 20 века, люди использовали свечи , газовые фонари , масляные лампы и костры . [1] В 1799–1800 годах Алессандро Вольта создал вольтов столб , первую электрическую батарею. Ток от этих батарей мог нагревать медную проволоку до каления. Василий Владимирович Петров разработал первую постоянную электрическую дугу в 1802 году, а английский химик Гемфри Дэви продемонстрировал на практике дуговую лампу в 1806 году. [2] Потребовалось более столетия непрерывных и постепенных улучшений, включая многочисленные проекты, патенты и вытекающие из этого споры об интеллектуальной собственности, чтобы перейти от этих ранних экспериментов к коммерчески производимым лампам накаливания в 1920-х годах. [3] [4]
В 1840 году Уоррен де ла Рю заключил платиновую катушку в вакуумную трубку и пропустил через нее электрический ток, создав таким образом одну из первых в мире электрических лампочек . [5] [6] [7] Конструкция была основана на концепции, что высокая температура плавления платины позволит ей работать при высоких температурах, а вакуумированная камера будет содержать меньше молекул газа для реакции с платиной, что увеличит ее долговечность. Хотя это была эффективная конструкция, стоимость платины сделала ее непрактичной для коммерческого использования. [8]
Уильям Гринер , английский изобретатель, внес значительный вклад в раннее электрическое освещение, создав в 1846 году свою лампу (патентная спецификация 11076), заложив основу для будущих инноваций, таких как изобретения Томаса Эдисона.
Конец 1870-х и 1880-е годы были отмечены интенсивной конкуренцией и инновациями, когда такие изобретатели, как Джозеф Свон в Великобритании и Томас Эдисон в США, независимо друг от друга разрабатывали функциональные лампы накаливания. Лампочки Свона, основанные на конструкциях Уильяма Стэйта, были успешными, но нити накаливания были слишком толстыми. Эдисон работал над созданием лампочек с более тонкими нитями накаливания, что привело к лучшей конструкции. [9] Соперничество между Своном и Эдисоном в конечном итоге привело к слиянию, в результате чего образовалась компания Edison and Swan Electric Light Company . К началу двадцатого века они полностью заменили дуговые лампы . [10] [1]
На рубеже веков наблюдалось дальнейшее улучшение долговечности и эффективности лампочек, в частности, с введением вольфрамовой нити Уильямом Д. Кулиджем , который подал заявку на патент в 1912 году. [11] Это нововведение стало стандартом для ламп накаливания на многие годы.
В 1910 году Жорж Клод представил первый неоновый свет, проложив путь неоновым вывескам, которые стали повсеместно использоваться в рекламе. [12] [13] [14]
В 1934 году Артур Комптон , известный физик и консультант GE, сообщил отделу ламп GE об успешных экспериментах с люминесцентным освещением в General Electric Co., Ltd. в Великобритании (не связанной с General Electric в Соединенных Штатах). Стимулируемая этим отчетом и имея все ключевые элементы в наличии, команда под руководством Джорджа Э. Инмана построила прототип люминесцентной лампы в 1934 году в инженерной лаборатории General Electric в Нела-Парке (Огайо). Это было нетривиальное упражнение; как отметил Артур А. Брайт, «Много экспериментов пришлось провести по размерам и формам ламп, конструкции катода, давлению газа как аргона, так и паров ртути, цветам люминесцентных порошков, способам их крепления к внутренней части трубки и другим деталям лампы и ее вспомогательных устройств, прежде чем новое устройство было готово для публики». [15]
Первый практический светодиод появился в 1962 году. [16]
В Соединенных Штатах продажа ламп накаливания, включая галогенные, прекращена с 1 августа 2023 года [ требуется обновление ] , поскольку они не соответствуют минимальным показателям производительности люменов на ватт, установленным Министерством энергетики США . [17] [ требуется обновление ] Компактные люминесцентные лампы также запрещены, несмотря на их производительность люменов на ватт, из-за содержащейся в них токсичной ртути, которая может попасть в дом в случае повреждения, а также из-за широко распространенных проблем с правильной утилизацией ртутьсодержащих ламп.
В своей современной форме лампа накаливания состоит из спиральной нити вольфрама, запечатанной в шаровидной стеклянной камере, либо вакуумной, либо заполненной инертным газом, например аргоном . При подключении электрического тока вольфрам нагревается до 2000–3300 К (1730–3030 °C; 3140–5480 °F) и светится, излучая свет, который приближается к непрерывному спектру .
Лампы накаливания крайне неэффективны, поскольку только 2–5% потребляемой энергии излучается в виде видимого, пригодного к использованию света . Остальные 95% теряются в виде тепла . [18] В более теплом климате излучаемое тепло затем должно быть удалено, что создает дополнительную нагрузку на системы вентиляции или кондиционирования воздуха . [19] В более холодную погоду побочный продукт тепла имеет некоторую ценность и успешно используется для обогрева в таких устройствах, как тепловые лампы . Тем не менее, во многих странах лампы накаливания постепенно вытесняются в пользу таких технологий, как люминесцентные лампы и светодиодные лампы, из-за их низкой энергоэффективности. Европейская комиссия подсчитала в 2012 году, что полный запрет на лампы накаливания внесет от 5 до 10 миллиардов евро в экономику и сэкономит 15 миллиардов метрических тонн выбросов углекислого газа . [20]
Галогенные лампы обычно намного меньше стандартных ламп накаливания, поскольку для успешной работы обычно необходима температура колбы более 200 °C. По этой причине большинство из них имеют колбу из плавленого кварца (кварца) или алюмосиликатного стекла. Оно часто запечатано внутри дополнительного слоя стекла. Внешнее стекло является мерой предосторожности, чтобы уменьшить ультрафиолетовое излучение и удержать осколки горячего стекла, если внутренняя оболочка взорвется во время работы. [21] Масляные остатки отпечатков пальцев могут привести к разрушению горячей кварцевой оболочки из-за чрезмерного накопления тепла в месте загрязнения. [22] Риск ожогов или пожара также выше при использовании голых лампочек, что приводит к их запрету в некоторых местах, если они не закрыты светильником.
Те, которые рассчитаны на 12- или 24-вольтовую работу, имеют компактные нити, полезные для хорошего оптического контроля. Кроме того, они имеют более высокую эффективность (люмен на ватт) и более длительный срок службы, чем негалогеновые типы. Световой поток остается практически постоянным в течение всего срока службы.
Флуоресцентные лампы состоят из стеклянной трубки, содержащей пары ртути или аргона под низким давлением. Электричество, протекающее через трубку, заставляет газы выделять ультрафиолетовую энергию. Внутренняя часть трубок покрыта люминофорами , которые выделяют видимый свет при попадании на них ультрафиолетовых фотонов . [23] Они имеют гораздо более высокую эффективность, чем лампы накаливания. Для того же количества вырабатываемого света они обычно используют около четверти или одной трети мощности лампы накаливания. Типичная световая эффективность систем люминесцентного освещения составляет 50–100 люмен на ватт, что в несколько раз превышает эффективность ламп накаливания с сопоставимой светоотдачей. Светильники с люминесцентными лампами дороже ламп накаливания, поскольку для регулирования тока через лампу требуется балласт , но более низкая стоимость энергии обычно компенсирует более высокую первоначальную стоимость. Компактные люминесцентные лампы доступны в тех же популярных размерах, что и лампы накаливания, и используются в качестве энергосберегающей альтернативы в домах. Поскольку они содержат ртуть, многие люминесцентные лампы классифицируются как опасные отходы . Агентство по охране окружающей среды США рекомендует отделять люминесцентные лампы от обычных отходов для переработки или безопасной утилизации, а некоторые юрисдикции требуют их переработки. [24]
Твердотельный светодиод (LED) был популярен в качестве индикаторной лампы в бытовой электронике и профессиональном аудиооборудовании с 1970-х годов. В 2000-х годах эффективность и выходная мощность возросли до такой степени, что светодиоды теперь используются в осветительных приборах, таких как автомобильные фары [25] и стоп-сигналы, [25] в фонариках [26] и велосипедных фонарях, [27] , а также в декоративных приложениях, таких как праздничное освещение. [28] Индикаторные светодиоды известны своим чрезвычайно долгим сроком службы, до 100 000 часов, но осветительные светодиоды работают гораздо менее консервативно и, следовательно, имеют более короткий срок службы. Светодиодная технология полезна для светодизайнеров из-за ее низкого энергопотребления, низкого тепловыделения, мгновенного управления включением/выключением, а в случае одноцветных светодиодов — непрерывности цвета на протяжении всего срока службы диода и относительно низкой стоимости производства. [28] Срок службы светодиода сильно зависит от температуры диода. [29] Эксплуатация светодиодной лампы в условиях, которые повышают внутреннюю температуру, может значительно сократить срок службы лампы. Некоторые лазеры были адаптированы в качестве альтернативы светодиодам для обеспечения высокофокусированного освещения. [30] [31]
Углеродные дуговые лампы состоят из двух угольных стержневых электродов на открытом воздухе, питаемых токоограничивающим балластом . Электрическая дуга зажигается при касании кончиков стержней с последующим их разделением. Возникающая дуга производит раскаленную добела плазму между кончиками стержней. Эти лампы имеют более высокую эффективность, чем лампы накаливания, но угольные стержни недолговечны и требуют постоянной регулировки при использовании, так как интенсивное тепло дуги разрушает их. [32] Лампы производят значительный ультрафиолетовый выход, они требуют вентиляции при использовании в помещении, и из-за своей интенсивности они нуждаются в защите от прямого взгляда.
Изобретенная Гемфри Дэви около 1805 года, угольная дуга была первым практическим электрическим светом. [33] [34] Она использовалась в коммерческих целях, начиная с 1870-х годов для освещения больших зданий и улиц, пока в начале 20-го века ее не заменили лампы накаливания. [33] Угольные дуговые лампы работают на высокой мощности и производят белый свет высокой интенсивности. Они также являются точечным источником света. Они оставались в использовании в ограниченных областях, где требовались эти свойства, таких как кинопроекторы , сценическое освещение и прожекторы , до окончания Второй мировой войны. [32]
Разрядная лампа имеет стеклянную или кварцевую колбу, содержащую два металлических электрода , разделенных газом. Используемые газы включают неон , аргон , ксенон , натрий , галогениды металлов и ртуть . Основной принцип работы во многом такой же, как у угольной дуговой лампы, но термин «дуговая лампа» обычно относится к угольным дуговым лампам, а более современные типы газоразрядных ламп обычно называются разрядными лампами. В некоторых разрядных лампах для зажигания дуги используется очень высокое напряжение. Для этого требуется электрическая цепь, называемая зажигателем, которая является частью электрической схемы балласта . После зажигания дуги внутреннее сопротивление лампы падает до низкого уровня, и балласт ограничивает ток рабочим током. Без балласта будет течь избыточный ток, что приведет к быстрому разрушению лампы.
Некоторые типы ламп содержат небольшое количество неона, что позволяет зажигать их при нормальном рабочем напряжении без внешней схемы зажигания. Натриевые лампы низкого давления работают таким образом. Самые простые балласты представляют собой просто индуктор и выбираются там, где решающим фактором является стоимость, например, для уличного освещения. Более продвинутые электронные балласты могут быть разработаны для поддержания постоянного светового потока в течение всего срока службы лампы, могут управлять лампой с помощью прямоугольной волны для поддержания абсолютно безмерцающего выходного сигнала и отключаться в случае определенных неисправностей.
Самым эффективным источником электрического света является натриевая лампа низкого давления. Она производит, для всех практических целей, монохромный оранжево-желтый свет, который дает аналогичное монохромное восприятие любой освещенной сцены. По этой причине она, как правило, зарезервирована для наружного освещения общественных мест. Астрономы предпочитают натриевые лампы низкого давления для освещения общественных мест, поскольку световое загрязнение , которое они создают, можно легко отфильтровать, в отличие от широкополосных или непрерывных спектров.
Многие ламповые блоки или лампочки указаны в стандартизированных кодах формы и названиях патронов. Лампы накаливания и их модифицированные замены часто указываются как " A19 /A60 E26 /E27", общий размер для этих видов лампочек. В этом примере параметры "A" описывают размер и форму лампочки в лампочке серии A , а параметры "E" описывают размер цоколя винта Эдисона и характеристики резьбы. [35]
Общие параметры сравнения включают: [36]
Менее распространенный параметр — индекс цветопередачи (CRI).
Ожидаемый срок службы для многих типов ламп определяется как количество часов работы, при которых 50% из них выходят из строя, то есть медианный срок службы ламп. Производственные допуски всего в 1% могут создать отклонение в 25% срока службы ламп, поэтому в целом некоторые лампы выйдут из строя задолго до номинального срока службы, а некоторые прослужат гораздо дольше. Для светодиодов срок службы ламп определяется как время работы, при котором 50% ламп испытывают 70%-ное снижение светового потока. В 1900-х годах картель Phoebus был сформирован в попытке сократить срок службы электрических лампочек, что является примером запланированного устаревания . [37] [38]
Некоторые типы ламп также чувствительны к циклам переключения. В помещениях с частым переключением, таких как ванные комнаты, можно ожидать гораздо более короткого срока службы лампы, чем указано на коробке. Компактные люминесцентные лампы особенно чувствительны к циклам переключения. [39]
Общее количество искусственного света (особенно уличного ) достаточно для того, чтобы города были хорошо видны ночью с воздуха и из космоса. Внешнее освещение росло со скоростью 3–6 процентов в течение второй половины 20-го века и является основным источником светового загрязнения [40] , которое обременяет астрономов [41] и других, поскольку 80% населения мира проживает в районах с ночным световым загрязнением. [42] Было показано, что световое загрязнение оказывает негативное влияние на некоторых представителей дикой природы. [40] [43]
Электрические лампы могут использоваться в качестве источников тепла, например, в инкубаторах , в качестве инфракрасных ламп в ресторанах быстрого питания и в игрушках, таких как Kenner Easy-Bake Oven . [44]
Лампы также можно использовать для светотерапии , чтобы справиться с такими проблемами, как дефицит витамина D , [45] заболеваниями кожи, такими как угри [46] [47] и дерматит , [48] раком кожи , [49] и сезонным аффективным расстройством . [50] [51] [52] Лампы, которые излучают определенную частоту синего света, также используются для лечения желтухи новорожденных [53], причем лечение, которое изначально проводилось в больницах, можно проводить дома. [54] [55]
Электрические лампы также можно использовать в качестве освещения для содействия росту растений [56], особенно в гидропонике в помещении и водных растениях , учитывая недавние исследования наиболее эффективных типов света для роста растений. [57]
Благодаря своим нелинейным характеристикам сопротивления, вольфрамовые лампы накаливания долгое время использовались в качестве быстродействующих термисторов в электронных схемах. Популярные применения включают:
В западной культуре лампочка, в частности, появление зажженной лампочки над головой человека, символизирует внезапное вдохновение.
На Ближнем Востоке символ лампочки имеет сексуальный подтекст. [58] [ проверка не удалась ]
Стилизованное изображение лампочки является логотипом турецкой партии AK Party . [59] [60]