Как работает лампочка?
Лампы накаливания существуют уже довольно давно, но вы можете не знать, что они работают на сложных принципах электродинамики и термодинамики.
До эпохи электрического освещения было довольно проблематично добиться яркого и долговечного освещения. Единственными доступными вариантами были свечи и масляные лампы, которые не очень эффективно справлялись со своей задачей.
Придуманные и запатентованные Томасом Альва Эдисоном в 1800-х годах, лампы накаливания продолжают освещать наш мир на протяжении многих поколений.
Лампы накаливания стали настолько популярны, что оригинальная технология не претерпела никаких радикальных изменений. Интересно отметить, что такая незначительная (но в то же время критически важная!) часть нашего существования основана на важных аспектах физики.
В этой статье мы найдем ответы на некоторые общие вопросы, касающиеся ламп накаливания.
Как образуется свет в лампах накаливания?
Лампа накаливания в основном состоит из двух частей - колбы и нити накаливания.
Колба, как правило, изготовлена из стекла, внутри которого находится вакуум. Вакуум помогает продлить срок службы лампочки; если внутри лампы присутствуют частицы воздуха, она быстро нагреется, и стекло может легко лопнуть.
Нить накаливания внутри лампочки - это место, где собственно и производится свет. Она сделана из длинного и намотанного материала, который является хорошим проводником электричества, например, вольфрама. Иногда внутренняя часть лампочки также заполняется инертным газом, например, аргоном. Инертные газы помогают замедлить процесс изнашивания вольфрамовой нити.
Нить накала прикреплена к металлическим контактам, которые подключены к источнику питания, чтобы через них мог проходить электрический ток.
Когда электрический ток проходит через нить накала, атомы возбуждаются, и электроны в них переходят на более высокие энергетические уровни, как только они поглощают энергию от протекающего тока. Время, в течение которого электроны остаются в этом возбужденном состоянии, очень мало, и когда они возвращаются к своим исходным уровням энергии, дополнительная энергия высвобождается в виде фотонов (небольших пакетов световой энергии).
Таким образом, лампочка светится!
Почему лампочки нагреваются?
Здесь следует учитывать один важный момент: нить накаливания лампочек сгорает, чтобы произвести свет. Это означает, что электрический ток, проходящий через нить, нагревает ее до такого уровня, что она начинает излучать фотоны. При перемешивании и вибрации атомов в материале нити накаливания выделяется тепловая энергия.
Большая часть электрического тока, проходящего через лампочку, используется для возбуждения атомов. При этом выделяется тепловая энергия, но лишь небольшая часть этой электрической энергии преобразуется в свет.
Кроме того, внутренняя часть лампочки не полностью герметична, и частицы воздуха передают тепловую энергию стеклу. Инертный газ внутри лампочки также проводит тепловую энергию к стеклу. Поэтому, когда вы прикасаетесь к лампочке, которая светится долгое время, то оказывается, что она горячая.
По этой причине нить накаливания рано или поздно разрушается, поэтому лампы накаливания служат недолго.
Следовательно, можно сказать, что лампа накаливания не особенно эффективно преобразует электрическую энергию в световую, растрачивая энергию в виде тепла.
Благодаря вечной жажде человечества к лучшим вариантам, у лампы накаливания появились лучшие конкуренты - галогенная лампа, люминесцентная лампа и светодиодная лампа (LED).
Эти разные виды ламп работают по разным механизмам, при которых потери энергии в виде тепловой энергии меньше, а значительная часть электрической энергии преобразуется в световую. Они экономичны, долговечны и более энергоэффективны.
Галогенные лампы - это усовершенствованная версия ламп накаливания, в которых вольфрамовая нить заключена в кварцевую капсулу в форме колбы, заполненную смесью инертного газа и небольшого количества галогенов, таких как йод или бром. "Галогенный цикл" повторно помещает частицы вольфрама в нить накаливания, позволяя использовать их повторно и эффективно продлевая срок службы лампы.
В люминесцентных лампах используется принцип флуоресценции, когда пары ртути заряжаются электрическим током, проходящим через лампу. Находящиеся под напряжением пары ртути испускают ультрафиолетовое излучение на люминофорное покрытие на внутренних стенках колбы, заставляя ее излучать световую энергию. Они примерно в четыре раза эффективнее и в десять раз долговечнее ламп накаливания.
Светодиодные лампы излучают световую энергию при пропускании через них электрического тока в . Они сделаны из светодиодов, которые состоят из полупроводникового материала. Это самый энергоэффективный вариант на рынке.
На пути к энергоэффективному будущему
С истощением энергетических ресурсов мир изо всех сил старается сохранить их и перейти к более устойчивым решениям. Лучшим вариантом искусственного освещения, который можно выбрать, является светодиодное освещение, благодаря многочисленным преимуществам, которые оно имеет по сравнению с другими традиционными методами освещения. Светодиодные лампы излучают незначительное количество тепловой энергии, служат до 25 000 часов и доступны в различных цветах.
Будущее бытового и коммерческого освещения очень яркое, благодаря гениальным изобретателям человечества, которые всегда находятся в поиске новых технологий!