Электрический свет , лампа или лампочка — это электрический компонент , излучающий свет . Это наиболее распространенный вид искусственного освещения . Лампы обычно имеют основание из керамики , металла, стекла или пластика, которое фиксирует лампу в патроне осветительного прибора , который также часто называют «лампой». Электрическое соединение с розеткой может осуществляться с помощью резьбового основания, двух металлических штырей, двух металлических колпачков или байонетного крепления .
Тремя основными категориями электрического освещения являются лампы накаливания, которые излучают свет с помощью нити накаливания , нагретой добела электрическим током , газоразрядные лампы , которые производят свет посредством электрической дуги через газ, например люминесцентные лампы , и светодиоды. лампы , которые производят свет за счет потока электронов через запрещенную зону в полупроводнике .
Энергоэффективность электрического освещения радикально возросла со времени первой демонстрации дуговых ламп и ламп накаливания в 19 веке . Современные источники электрического света представлены множеством типов и размеров, адаптированных для многих применений. Большая часть современного электрического освещения питается от централизованно генерируемой электроэнергии, но освещение также может питаться от мобильных или резервных электрогенераторов или аккумуляторных систем. Фонарь с батарейным питанием часто используется в тех случаях, когда и где выходят из строя стационарные фонари, часто в виде фонарей или электрических фонарей , а также в транспортных средствах.
До того, как электрическое освещение стало обычным явлением в начале 20-го века, люди использовали свечи , газовые фонари , масляные лампы и костры . [1] В 1799–1800 годах Алессандро Вольта создал гальваническую батарею , первую электрическую батарею. Ток от этих батарей может нагреть медный провод до накала. Василий Владимирович Петров разработал первую постоянную электрическую дугу в 1802 году, а английский химик Гемфри Дэви провел практическую демонстрацию дугового света в 1806 году. [2]
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 . [3] [4] [5] Конструкция была основана на концепции, согласно которой высокая температура плавления платины позволит ей работать при высоких температурах и что вакуумированная камера будет содержать меньше молекул газа, вступающих в реакцию с платиной, что увеличит ее долговечность. . Хотя это была эффективная конструкция, стоимость платины делала непрактичным ее коммерческое использование. [6]
Уильям Гринер , английский изобретатель, внес значительный вклад в развитие электрического освещения с помощью своей лампы в 1846 году (патент № 11076), заложив основу для будущих инноваций, таких как Томас Эдисон.
Конец 1870-х и 1880-е годы были отмечены интенсивной конкуренцией и инновациями: такие изобретатели, как Джозеф Свон в Великобритании и Томас Эдисон в США, независимо друг от друга разрабатывали функциональные лампы накаливания. Луковицы Свона, созданные по проекту Уильяма Стэйта, оказались успешными, но нити накала были слишком толстыми. Эдисон работал над созданием лампочек с более тонкими нитями накала, что привело к улучшению конструкции. [7] Соперничество между Своном и Эдисоном в конечном итоге привело к слиянию, в результате которого образовалась компания Edison and Swan Electric Light Company . К началу двадцатого века они полностью заменили дуговые лампы . [8] [1]
Хотя способность проводов светиться при подаче тока была впервые обнаружена в эпоху Просвещения , потребовалось более столетия непрерывных и постепенных улучшений, включая многочисленные разработки, патенты и, как следствие, споры об интеллектуальной собственности, пока лампы накаливания не стали коммерчески доступны в 1920-е годы. [9] [10] Первым домом, освещенным электрическим светом, был Андерхилл , дом Джозефа Свона , около 1880 года . [11]
На рубеже веков произошло дальнейшее улучшение долговечности и эффективности ламп, в частности, с введением вольфрамовой нити Уильямом Д. Кулиджем , который подал заявку на патент в 1912 году. [12] Это нововведение на многие годы стало стандартом для ламп накаливания. .
В 1910 году Жорж Клод представил первый неоновый свет, проложив путь неоновым вывескам, которые впоследствии стали повсеместно использоваться в рекламе. [13] [14] [15]
В 1934 году Артур Комптон , известный физик и консультант GE, сообщил отделу ламп GE об успешных экспериментах с люминесцентным освещением в компании General Electric Co., Ltd. в Великобритании (не имеющей отношения к General Electric в США). Вдохновленная этим отчетом и используя все доступные ключевые элементы, группа под руководством Джорджа Э. Инмана в 1934 году построила прототип люминесцентной лампы в инженерной лаборатории General Electric в Нела Парк (Огайо). Это было непростое упражнение; как заметил Артур А. Брайт: «Пришлось провести много экспериментов с размерами и формой ламп, конструкцией катода, давлением аргона и паров ртути, цветами флуоресцентных порошков, методами их прикрепления к внутренней части лампы. трубка и другие детали лампы и ее вспомогательных устройств, прежде чем новое устройство будет представлено публике». [16]
Первый практический светодиод появился в 1962 году. [17]
В Соединенных Штатах лампы накаливания, в том числе галогенные, прекратят продаваться с августа 2023 года, [ требуется обновление ] , поскольку они не соответствуют минимальным показателям производительности в люменах на ватт, установленным Министерством энергетики США . [18] [ нужна обновленная информация ] Компактные люминесцентные лампы также запрещены, несмотря на их люмены на ватт, из-за содержащейся в них токсичной ртути, которая может попасть в дом в случае поломки, а также из-за широко распространенных проблем с правильной утилизацией ртутьсодержащих ламп.
В своей современной форме лампа накаливания состоит из спиральной вольфрамовой нити, запечатанной в шаровидной стеклянной камере, либо в вакууме, либо заполненной инертным газом, таким как аргон . При подаче электрического тока вольфрам нагревается до 2000–3300 К (от 1730 до 3030 °C; от 3140 до 5480 °F) и светится, излучая свет, близкий к непрерывному спектру .
Лампы накаливания крайне неэффективны: всего 2–5% потребляемой энергии излучается в виде видимого полезного света . Остальные 95% теряются в виде тепла . [19] В более теплом климате выделяемое тепло необходимо отводить, создавая дополнительную нагрузку на системы вентиляции или кондиционирования воздуха . [20] В 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 технологиями, такими как КЛЛ и светодиодные лампы, из-за их низкой энергоэффективности. По оценкам Европейской комиссии в 2012 году, полный запрет на лампы накаливания принесет экономике от 5 до 10 миллиардов евро и сэкономит 15 миллиардов метрических тонн выбросов углекислого газа . [21]
Галогенные лампы обычно намного меньше стандартных ламп накаливания, поскольку для успешной работы обычно необходима температура лампы более 200 °C. По этой причине большинство из них имеют колбу из плавленого кварца (кварца) или алюмосиликатного стекла. Часто он запечатан внутри дополнительного слоя стекла. Внешнее стекло является мерой предосторожности, чтобы уменьшить ультрафиолетовое излучение и удержать горячие осколки стекла в случае взрыва внутренней оболочки во время работы. [22] Маслянистые остатки отпечатков пальцев могут привести к разрушению горячей кварцевой оболочки из-за чрезмерного нагрева в месте загрязнения. [23] Риск ожогов или возгорания также выше при использовании голых лампочек, что приводит к запрету их использования в некоторых местах, за исключением случаев, когда они закрыты светильником.
Те, которые рассчитаны на работу с напряжением 12 или 24 В, имеют компактные нити накала, полезные для хорошего оптического управления. Кроме того, они имеют более высокую эффективность (люмен на ватт) и более длительный срок службы, чем негалогенные типы. Световой поток остается практически постоянным на протяжении всего срока службы.
Люминесцентные лампы состоят из стеклянной трубки, в которой содержатся пары ртути или аргон под низким давлением. Электричество, протекающее через трубку, заставляет газы выделять ультрафиолетовую энергию. Внутренняя часть трубок покрыта люминофорами , которые излучают видимый свет при попадании на них ультрафиолетовых фотонов . [24] Их эффективность намного выше, чем у ламп накаливания. Для того же количества генерируемого света они обычно используют от четверти до одной трети мощности лампы накаливания. Типичная светоотдача люминесцентных систем освещения составляет 50–100 люмен на ватт, что в несколько раз превышает эффективность ламп накаливания с сопоставимой светоотдачей. Люминесцентные лампы стоят дороже, чем лампы накаливания, поскольку для регулирования тока через лампу требуется балласт , но более низкие затраты на электроэнергию обычно компенсируют более высокие первоначальные затраты. Компактные люминесцентные лампы доступны в тех же популярных размерах, что и лампы накаливания, и используются в качестве энергосберегающей альтернативы в домах. Поскольку многие люминесцентные лампы содержат ртуть, они классифицируются как опасные отходы . Агентство по охране окружающей среды США рекомендует отделять люминесцентные лампы от обычных отходов для переработки или безопасной утилизации, а в некоторых юрисдикциях требуется их переработка. [25]
Твердотельные светодиоды (LED) стали популярны в качестве индикаторов в бытовой электронике и профессиональном аудиоаппаратуре с 1970-х годов. В 2000-х годах эффективность и мощность возросли до такой степени, что светодиоды теперь используются в осветительных устройствах, таких как автомобильные фары [26] и стоп-сигналы, [26] в фонариках [27] и велосипедных фонарях, [28] а также в декоративных применениях, таких как праздничное освещение. [29] Светодиоды-индикаторы известны своим чрезвычайно долгим сроком службы, до 100 000 часов, но светодиоды освещения эксплуатируются гораздо менее консервативно и, следовательно, имеют более короткий срок службы. Светодиодная технология полезна для светодизайнеров из-за ее низкого энергопотребления, низкого тепловыделения, мгновенного включения/выключения, а в случае одноцветных светодиодов - непрерывности цвета на протяжении всего срока службы диода и относительно низкой стоимости производства. [29] Срок службы светодиода сильно зависит от температуры диода. [30] Эксплуатация светодиодной лампы в условиях повышения внутренней температуры может значительно сократить срок ее службы.
Угольные дуговые лампы состоят из двух угольных стержневых электродов , находящихся на открытом воздухе и питаемых токоограничивающим балластом . Электрическая дуга возникает при касании кончиков стержней и их разделении. Возникающая дуга создает раскаленную добела плазму между кончиками стержней. Эти лампы имеют более высокую эффективность, чем лампы накаливания, однако угольные стержни недолговечны и требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, так как сильный нагрев дуги их разрушает. [31] Лампы производят значительную мощность ультрафиолетового излучения, при использовании в помещении требуют вентиляции, а из-за своей интенсивности нуждаются в защите от прямого взгляда.
Угольная дуга , изобретенная Хамфри Дэви примерно в 1805 году, стала первым практическим электрическим источником света. [32] [33] Он использовался в коммерческих целях, начиная с 1870-х годов для освещения больших зданий и улиц, пока в начале 20 века его не вытеснили лампы накаливания. [32] Угольные дуговые лампы работают на высокой мощности и излучают белый свет высокой интенсивности. Они также являются точечным источником света. Они продолжали использоваться в ограниченных приложениях, требующих этих свойств, таких как кинопроекторы , сценическое освещение и прожекторы , вплоть до окончания Второй мировой войны. [31]
Газоразрядная 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 и у угольной дуговой лампы, но термин «дуговая лампа» обычно относится к угольно-дуговым лампам, а более современные типы газоразрядных ламп обычно называются газоразрядными лампами. В некоторых газоразрядных лампах для зажигания дуги используется очень высокое напряжение. Для этого требуется электрическая цепь, называемая воспламенителем, которая является частью схемы электрического балласта . После зажигания дуги внутреннее сопротивление лампы падает до низкого уровня, и балласт ограничивает ток до рабочего. 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. По такому принципу работают натриевые лампы низкого давления . Простейшие балласты представляют собой всего лишь индуктор и выбираются там, где решающим фактором является стоимость, например, уличное освещение. Более совершенные электронные балласты могут быть спроектированы так, чтобы поддерживать постоянную светоотдачу в течение всего срока службы лампы, могут управлять лампой прямоугольной волной, чтобы поддерживать световой поток без мерцания, и отключаться в случае определенных неисправностей.
Наиболее эффективным источником электрического света является натриевая лампа низкого давления. Для всех практических целей он производит монохроматический оранжево-желтый свет, который дает такое же монохроматическое восприятие любой освещенной сцены. По этой причине его обычно используют для наружного освещения общественных мест. Астрономы предпочитают натриевые лампы низкого давления для общественного освещения, поскольку генерируемое ими световое загрязнение можно легко фильтровать, в отличие от широкополосного или непрерывного спектра.
Многие ламповые блоки или лампочки имеют стандартизированные коды формы и названия патронов. Лампы накаливания и их модифицированные заменители часто обозначаются как « A19 /A60 E26 /E27», что является обычным размером для ламп такого типа. В этом примере параметры «A» описывают размер и форму лампочки внутри лампочки серии A, а параметры «E» описывают размер цоколя винта Эдисона и характеристики резьбы. [34]
Общие параметры сравнения включают: [35]
Менее распространенные параметры включают индекс цветопередачи (CRI).
Ожидаемый срок службы ламп многих типов определяется как количество часов работы, при которых 50% из них выходят из строя, то есть средний срок службы ламп. Производственные допуски всего в 1% могут привести к отклонению срока службы лампы на 25%, поэтому, как правило, некоторые лампы выходят из строя задолго до истечения номинального срока службы, а некоторые прослужат гораздо дольше. Для светодиодов срок службы лампы определяется как время работы, при котором у 50% ламп наблюдается снижение светоотдачи на 70%. В 1900-х годах в попытке сократить срок службы электрических лампочек сформировался картель Феб , что является примером запланированного устаревания . [36] [37]
Некоторые типы ламп также чувствительны к циклам переключения. В помещениях с частым переключением, например в ванных комнатах, срок службы лампы может быть гораздо короче, чем указано на упаковке. Компактные люминесцентные лампы особенно чувствительны к циклам переключения. [38]
Общего количества искусственного света (особенно уличного ) достаточно, чтобы города были хорошо видны ночью с воздуха и из космоса. Внешнее освещение выросло на 3–6 процентов во второй половине 20-го века и является основным источником светового загрязнения [39] , которое обременяет астрономов [40] и других специалистов, поскольку 80% населения мира живет в районах с ночной погодой. время светового загрязнения. [41] Было доказано, что световое загрязнение оказывает негативное воздействие на некоторых диких животных. [39] [42]
Электрические лампы можно использовать в качестве источников тепла, например, в инкубаторах , в качестве инфракрасных ламп в ресторанах быстрого питания и в качестве игрушек, таких как духовка Kenner Easy-Bake Oven . [43]
Лампы также можно использовать для светотерапии для решения таких проблем, как дефицит витамина D , [44] кожные заболевания, такие как прыщи [45] [46] и дерматит , [47] рак кожи , [48] и сезонные аффективные расстройства . [49] [50] [51] Лампы, излучающие синий свет определенной частоты, также используются для лечения неонатальной желтухи [52] при этом лечение, которое первоначально проводилось в больницах, можно проводить дома. [53] [54]
Электрические лампы также можно использовать в качестве источника света , способствующего росту растений [55], особенно в гидропонике и водных растениях в помещении , благодаря недавним исследованиям наиболее эффективных типов света для роста растений. [56]
Благодаря своим нелинейным характеристикам сопротивления лампы накаливания издавна используются в качестве быстродействующих термисторов в электронных схемах. Популярные варианты использования включают:
В западной культуре лампочка — в частности, появление светящейся лампочки над головой человека — означает внезапное вдохновение.
На Ближнем Востоке символ лампочки имеет сексуальный подтекст. [57]
Стилизованное изображение лампочки является логотипом турецкой ПСР . [58] [59]