Лампочка

<час />

Фон

С самых ранних периодов истории до начала 19 века огонь был основным источником света для человека. Этот свет создавался разными способами - факелами, свечами . , масляные и газовые лампы. Помимо опасности, которую представляет открытое пламя (особенно при использовании в помещении), эти источники света также обеспечивали недостаточное освещение.

Первые попытки использовать электрический свет были предприняты английским химиком сэром Хэмфри Дэви. В 1802 году Дэви показал, что электрические токи могут нагревать тонкие полосы металла до белого каления, производя свет. Это было началом накаливания (определяемого как свечение сильным жаром) электрического света. Следующей важной разработкой стала дуговая лампа. По сути, это были два электрода, обычно сделанные из углерода, разделенные друг от друга коротким воздушным промежутком. Электрический ток, приложенный к одному из электродов, протекал через другой электрод, что приводило к возникновению световой дуги в воздушном пространстве. Дуговые лампы (или лампочки) использовались в основном для наружного освещения; Между большой группой ученых все еще продолжалась гонка за обнаружением полезного источника внутреннего освещения.

Основная трудность, сдерживающая развитие коммерчески жизнеспособной лампы накаливания, заключалась в поиске подходящих светящихся элементов. Дэви обнаружил, что платина - единственный металл, который может выделять белый огонь в течение любого промежутка времени. Также использовался углерод, но он быстро окислялся на воздухе. Ответ заключался в создании вакуума, который бы удерживал воздух подальше от элементов, сохраняя тем самым световые материалы.

Томас А. Эдисон, молодой изобретатель, работающий в Менло-Парке, штат Нью-Джерси, начал работать над своей собственной формой электрического света в 1870-х годах. В 1877 году Эдисон увлекся поиском удовлетворительного источника электрического света, посвятив свое первоначальное участие выяснению причин неудач своих конкурентов. Тем не менее, он определил, что платина является гораздо более эффективной горелкой, чем углерод. Работая с платиной, Эдисон получил свой первый патент в апреле 1879 года на относительно непрактичную лампу, но он продолжил поиск элемента, который можно было бы нагревать эффективно и экономично.

Эдисон также возился с другими компонентами системы освещения, в том числе соорудил собственный источник питания и разработал прорывную систему электропроводки, которая могла бы управлять несколькими лампами, горящими одновременно. Однако самым важным его открытием было изобретение подходящей нити накала. Это был очень тонкий нитевидный провод, который обладал высоким сопротивлением прохождению электрического тока. Большинство первых нитей накала перегорели очень быстро, что сделало эти лампы коммерчески бесполезными. Чтобы решить эту проблему, Эдисон снова начал пробовать уголь в качестве средства освещения.

В конце концов он выбрал карбонизированную хлопковую нить в качестве материала для нити. Нить накала была прикреплена к платиновым проводам, по которым проводился ток к нити и от нее. Затем эту сборку поместили в стеклянную колбу, которая была приварена к горлышку (так называемое запечатывание). Вакуумный насос удалил воздух из баллона - медленный, но важный шаг. Подводящие провода, которые должны были быть подключены к электрическому току, выходили из стеклянной колбы.

19 октября 1879 года Эдисон провел свое первое испытание этой новой лампы. Она проработала два дня и 40 часов (21 октября - день, когда нить окончательно перегорела - это обычная дата изобретения первой коммерчески практичной лампы). Конечно, эта оригинальная лампа претерпела ряд доработок. Были созданы производственные предприятия для массового производства лампочек, и большие успехи были достигнуты в электропроводке и системах электрического тока. Однако сегодняшние лампы накаливания очень напоминают оригинальные лампы Эдисона. Основные отличия заключаются в использовании вольфрамовых нитей, различных газов для повышения эффективности и повышенном освещении в результате нагрева нитей до более высоких температур.

Хотя лампа накаливания была первым и, безусловно, наименее дорогим типом лампочек, существует множество других лампочек, которые служат бесчисленному множеству целей:

• Вольфрамовые галогенные лампы.
• Люминесцентные лампы - это стеклянные трубки, содержащие пары ртути и газообразный аргон. Когда через трубку протекает электричество, испаренная ртуть выделяет ультрафиолетовую энергию. Затем эта энергия поражает люминофор, покрывающий внутреннюю часть лампы, испуская видимый свет.
• У ртутных ламп две лампы - дуговая трубка (сделанная из кварца) находится внутри защитной стеклянной колбы. Дуговая трубка содержит пары ртути под более высоким давлением, чем у люминесцентной лампы, что позволяет паровой лампе излучать свет без использования люминофорного покрытия.
• Неоновые лампы - это стеклянные трубки, наполненные неоновым газом, которые светятся, когда в них возникает электрический разряд. Цвет света определяется газовой смесью; чистый неоновый газ излучает красный свет.
• Металлогалогенные лампы, используемые в основном на открытом воздухе на стадионах и проездах, содержат химические соединения металла и галогена. Лампы этого типа работают во многом так же, как и ртутные лампы, за исключением того, что галогениды металлов могут обеспечивать более естественный цветовой баланс при использовании без люминофоров.
• Натриевые лампы высокого давления также похожи на ртутные лампы; однако дуговая трубка сделана из оксида алюминия вместо кварца и содержит твердую смесь натрия и ртути.

Томас А. Эдисон (в центре, в кепке) с рабочими в своей лаборатории в Менло-Парке, штат Нью-Йорк Джерси. Фотография сделана в 1880 году.

К тому времени, когда Томас Эдисон начал поиски, более двадцати изобретателей, относящихся к 1830-м годам, создали электрические лампы накаливания. 1870-е годы были решающим десятилетием, поскольку технологии производства и сила спроса объединились, чтобы сделать поиск коммерчески осуществимого электрического света высокотехнологичной гонкой эпохи с высокими ставками. Эдисон основал свою исследовательскую лабораторию в сельском Менло-парке, штат Нью-Джерси, на полпути между Нью-Йорком и Филадельфией. Лабораторный корпус и несколько хозяйственных построек были построены в 1876 году на прибыль, которую Эдисон получил от своих изобретений в области телеграфа. Изначально он намеревался брать проекты у любого инвестора, который нуждался в его помощи, и продолжать работать над своими собственными идеями в области телеграфных и телефонных систем. Он сказал, что думает, что лаборатория сможет производить новое изобретение каждые десять дней и крупный прорыв каждые шесть месяцев.

В 1877 году Эдисон решил принять участие в широко разрекламированной гонке за успешной лампочкой и расширил свои лабораторные помещения механическим цехом, офисом и исследовательской библиотекой. Персонал вырос с 12 до более 60, поскольку Эдисон занялся всей системой освещения, от генератора до изолятора и лампы накаливания. Попутно Эдисон создал новый процесс изобретений, организовав командный подход, который объединил финансирование, материалы, инструменты и квалифицированных рабочих в «фабрику изобретений». Таким образом, поиск лампочки проиллюстрировал новые формы исследований и разработок, которые позже были развиты General Electric, Westinghouse и другими компаниями.

Уильям С. Претцер

Сырье

В этом разделе, а также в следующем (Процесс производства) основное внимание будет уделено лампам накаливания. Как упоминалось ранее, для нити накала использовалось множество различных материалов, пока в начале двадцатого века вольфрам не стал предпочтительным металлом. Хотя чрезвычайно хрупкий, Один из основных компонентов лампочки, нить накала, получают путем смешивания вольфрама и связующего с последующим вытягиванием смесь в тонкую проволоку вокруг стальной оправки. После нагревания проволоки и последующего растворения оправки кислотой нить накала принимает правильную свернутую форму. вольфрамовые нити могут выдерживать температуры до 4500 градусов по Фаренгейту (2480 градусов по Цельсию) и выше. Разработка вольфрамовых нитей считается величайшим достижением в технологии изготовления лампочек, поскольку эти нити можно производить с меньшими затратами, и они служат дольше, чем любой из предыдущих материалов.

Соединительные или вводные провода обычно изготавливаются из никель-железной проволоки (называемой dumet потому что в нем используются два металла). Эту проволоку окунают в раствор буры, чтобы проволока лучше прилегала к стеклу. Сама колба сделана из стекла и содержит смесь газов, обычно аргона и азота, которые увеличивают срок службы нити накала. Воздух откачивается из баллона и заменяется газами. Стандартизированная основа удерживает всю сборку на месте. Основание, известное как «винтовая база Эдисона», изначально было сделано из латуни и изолировано гипсом, а позже и фарфором. Сегодня алюминий используется снаружи, а стекло используется для изоляции внутренней части основания, создавая более прочное основание.

Производственный
процесс

Лампочки используются как уличные, так и автомобильные . фары к фонарикам. Для каждого использования отдельные лампочки различаются по размеру и мощности, которые определяют количество света, излучаемого лампочкой, (люмен). Однако все лампы накаливания состоят из трех основных частей:нити накала, колбы и цоколя. Изначально производство лампочек производилось вручную, а сейчас почти полностью автоматизировано.

Нить накала

• 1 Нить накала производится с помощью процесса, известного как вытяжка, в котором вольфрам смешивается со связующим материалом и протягивается через матрицу - формованное отверстие - в тонкую проволоку. Затем проволока наматывается на металлический стержень, называемый сердечником . для придания ему надлежащей свернутой формы, а затем нагревают в процессе, известном как отжиг. Этот процесс смягчает проволоку и делает ее структуру более однородной. Затем оправку растворяют в кислоте.
• 2 Свернутая нить накала прикрепляется к подводящим проводам. На концах вводных проводов имеются крючки, которые либо прижимаются к концу нити накала, либо, в более крупных лампах, привариваются точечной сваркой.

Стеклянная колба

• 3 Стеклянные колбы или кожухи изготавливаются на ленточной машине. После нагрева в Практически весь процесс производства лампочек автоматизирован. Стеклянные колбы выдуваются ленточной машиной, которая может производить более 50 000 лампочек в час. После того, как нить накала и стержень вставлены в колбу, воздух внутри колбы откачивается и закачивается смесь аргона и азота. Наконец, основание герметично закрывается. В печи по конвейерной ленте движется непрерывная лента из стекла. Точно выровненные воздушные форсунки выдувают стекло через отверстия на конвейерной ленте в формы, образуя кожухи. Ленточная машина, движущаяся с максимальной скоростью, может производить более 50 000 луковиц в час. После выдувания оболочки их охлаждают, а затем отрезают от ленточной машины. Затем внутренняя часть колбы покрывается кремнеземом, чтобы удалить блики, вызванные светящейся непокрытой нитью. Затем на внешней верхней части каждого кожуха штампуется эмблема компании и мощность лампы.

База

• 4 Основание колбы также изготовлено с помощью форм. Она сделана с углублениями в виде винта, чтобы она легко помещалась в розетку светильника.

Сборка

• 5 После изготовления нити накала, цоколя и колбы они собираются вместе с помощью машин. Сначала нить накала прикрепляется к стержню в сборе, ее концы зажимаются на двух подводящих проводах. Затем воздух внутри колбы откачивается, а кожух заполняется смесью аргона и азота. Эти газы продлевают срок службы нити накала. Вольфрам со временем испарится и сломается. Когда он испаряется, он оставляет темный осадок на луковице, известный как почернение стенок луковицы.
• 6 Наконец, цоколь и колба герметизируются. Основание надвигается на конец стеклянной колбы, так что для их соединения не нужен другой материал. Вместо этого их соответствующие формы позволяют плотно удерживать две части вместе, а подводящие провода касаются алюминиевого основания для обеспечения надлежащего электрического контакта. После тестирования лампочки помещаются в их упаковки и отправляются потребителям.

Контроль качества

Лампочки проходят испытания на срок службы и прочность. Чтобы получить быстрые результаты, выбранные лампы ввинчиваются в стойки для испытаний на срок службы и зажигаются на уровне, намного превышающем их нормальную стойкость к горению. Это дает точное представление о том, как долго лампа прослужит в нормальных условиях. Тестирование проводится на всех заводах-изготовителях, а также на некоторых независимых испытательных центрах. Средний срок службы большинства бытовых лампочек составляет от 750 до 1000 часов, в зависимости от мощности.

Будущее

Будущее ламп накаливания остается неопределенным. Хотя нагрев нити накала до тех пор, пока она не начнет светиться, безусловно, является удовлетворительным способом получения света, он крайне неэффективен:около 95 процентов электричества, подаваемого в обычную лампочку, преобразуется в тепло, а не в свет. В мире с истощающимися ресурсами, где сохранение энергии становится все более важным, эта неэффективность может в конечном итоге сделать лампочку накаливания непрактичной.

Уже используются другие источники света, которые могут заменить лампу накаливания. Люминесцентные лампы, например, уже доминируют на промышленном рынке, и, несомненно, они найдут все большее применение в качестве домашнего источника света. Люминесцентные лампы потребляют как минимум на 75 процентов меньше энергии, чем лампы накаливания, и могут служить в двадцать раз дольше. Недавняя разработка «компактных» люминесцентных ламп, которые, в отличие от стандартной люминесцентной лампы, могут ввинчиваться в обычную домашнюю лампу, может расширить внутренний рынок люминесцентных ламп.

Еще одна недавняя разработка - это «радиоволновая лампочка», лампочка, которая создает свет, передавая энергию от генератора радиоволн ртутному облаку, которое, в свою очередь, излучает ультрафиолетовый свет. Люминофорное покрытие на колбе преобразует ультрафиолетовый свет в видимый свет. Такие лампы потребляют только 25 процентов энергии, чем лампы накаливания, и могут прослужить десятилетие и более. Также они полностью взаимозаменяемы с лампами накаливания.