Todo lo que no sabías sobre la primera bombilla incandescente. Indicadores de temperatura de lámparas incandescentes.

Definición
- una fuente de luz que convierte la energía de una corriente eléctrica que pasa a lo largo de una lámpara en espiral en calor y luz. Según la naturaleza física, se distinguen dos tipos de radiación: térmica y luminiscente.
La luz térmica se llama radiación que se produce.
al calentar cuerpos. El resplandor de las lámparas incandescentes eléctricas se basa en el uso de radiación térmica.

Ventajas y desventajas

Ventajas de las lámparas incandescentes:
cuando se encienden, se encienden casi instantáneamente;
son de tamaño pequeño;
su costo es bajo.

Las principales desventajas de las lámparas incandescentes:
las lámparas tienen un brillo deslumbrante que se refleja negativamente en la visión de una persona, por lo que requieren el uso de accesorios adecuados para limitar el deslumbramiento;
tener una vida útil corta (aproximadamente 1000 horas);
la vida útil de las lámparas se reduce significativamente con un aumento en la tensión de alimentación.

Eficacia luminosa Las lámparas incandescentes, definidas como la relación entre la potencia de los rayos del espectro visible y la potencia consumida de la red eléctrica, es muy pequeña y no supera el 4%.

Por tanto, la principal desventaja de las lámparas incandescentes es su escasa emisión de luz. Después de todo, solo una parte insignificante de la energía eléctrica que consumen se convierte en energía de radiación visible, el resto de la energía se convierte en calor emitido por la lámpara.

Principio de operación.

El principio de funcionamiento de las lámparas incandescentes se basa en la conversión de la energía eléctrica que pasa a través del filamento en luz. La temperatura del filamento calentado alcanza 2600 ... 3000 "C. Pero el filamento de la lámpara no se derrite, porque el punto de fusión del tungsteno (3200 ... 3400 ° C) excede la temperatura incandescente del filamento. El espectro de lámparas incandescentes es diferente del espectro de la luz del día por el predominio de los rayos del espectro amarillo y rojo.
Las bombillas de las lámparas incandescentes se vacían o se llenan con un gas inerte, en el que el filamento de tungsteno no se oxida: con nitrógeno; argón; criptón; una mezcla de nitrógeno, argón, xenón.

El dispositivo y el funcionamiento de las lámparas incandescentes.

La lámpara incandescente (fig.) Se ilumina porque el filamento del alambre de tungsteno refractario se calienta con la corriente que lo atraviesa. Para evitar que la espiral se queme rápidamente, se bombea aire fuera del cilindro de vidrio o se llena el cilindro con un gas inerte. La espiral está unida a los electrodos. Uno de ellos está soldado al enchufe metálico de la base, el otro a la placa de contacto metálica. El aislamiento los separa. Uno de los cables se conecta al enchufe de la base y el otro a la placa de contacto, como se muestra en la fig. Entonces la corriente, superando la resistencia eléctrica del NITI, lo calienta.

Lámparas incandescentes

En la designación de lámparas incandescentes, las letras significan: B - vacío; G - lleno de gas; B - doble espiral; BK - criptón bi-espiral (tiene una mayor salida de luz y dimensiones más pequeñas en comparación con las lámparas C, B y D, pero es más caro); DB - difuso (con una capa reflectante mate dentro de la bombilla); MO - iluminación local.

Las letras van seguidas de dos grupos de números. Indican el rango de voltaje y la potencia de la lámpara.

Ejemplo. "V 220 ... 230-25" significa voltaje 220 ... 230 V, potencia 2-5 W. La designación también puede incluir la fecha de fabricación de la lámpara, por ejemplo, IX 2005.

Las lámparas con una potencia de hasta 150 W se producen: en cilindros transparentes incoloros (el flujo luminoso de las lámparas no disminuye); en cilindros esmerilados desde el interior (el flujo luminoso de las lámparas se reduce en un 3%); en matraces de ópalo; pintado en un color lechoso de cilindros (el flujo luminoso de las lámparas se reduce en un 20%).
Las lámparas con una potencia de hasta 200 W están fabricadas con tapas normales tanto roscadas como fijadas. Las lámparas de más de 200 W solo están disponibles con bases roscadas. Las lámparas con una potencia de más de 300 W están disponibles con una base con un diámetro de 40 mm.

Ejemplos de ejecución de lámparas incandescentes estándar.

Los ejemplos de lámparas incandescentes se muestran en la Fig. 2. En la fig. 2.a, b - lámparas de la misma potencia, pero en la Fig. 2.a - lleno de gas con gas argón, y en la Fig. 2.b - con relleno de criptón (criptón). Las dimensiones de la lámpara de criptón son menores. La lámpara de la fig. 2.c se parece a una vela. Estas lámparas se utilizan a menudo en candelabros y lámparas de pared. En la Fig. 2.d, e, f muestran, respectivamente, lámparas de espejo bi-espiral, criptón bi-espiral y espejo.

Analizando la estructura de una lámpara incandescente (Figura 1, a) encontramos que la parte principal de su diseño es el cuerpo del filamento 3 , que, bajo la acción de una corriente eléctrica, se calienta hasta la aparición de radiación óptica. Esta es en realidad la base del principio de funcionamiento de la lámpara. La fijación del filamento en el interior de la lámpara se realiza mediante electrodos. 6 generalmente sosteniendo sus extremos. A través de los electrodos, también se suministra una corriente eléctrica al cuerpo incandescente, es decir, también son enlaces internos de los terminales. En caso de estabilidad insuficiente del cuerpo incandescente, utilice soportes adicionales 4 ... Los soportes están soldados a una varilla de vidrio. 5 , llamado varilla, que tiene un engrosamiento al final. El bastón está emparejado con una pieza de vidrio compleja: una pierna. La pierna, se muestra en la Figura 1, B, consta de electrodos 6 , platos 9 y shtengel 10 , que es un tubo hueco a través del cual se bombea aire fuera de la bombilla. Conexión común entre terminales intermedios 8 , palo, placa y shtengel forman una escápula 7 ... La conexión se realiza fundiendo las partes de vidrio, durante la cual se realiza un orificio de escape. 14 conectando la cavidad interior del tubo de bombeo con la cavidad interior de la bombilla. Para suministrar corriente eléctrica al filamento a través de los electrodos. 6 aplicar intermedio 8 y conclusiones externas 11 , conectado por soldadura eléctrica.

Figura 1. El dispositivo de una lámpara incandescente eléctrica ( a) y sus piernas ( B)

Para aislar el cuerpo del filamento, así como otras partes de la bombilla del entorno externo, se utiliza una bombilla de vidrio. 1 ... El aire de la cavidad interior del matraz se bombea y, en su lugar, se bombea un gas inerte o una mezcla de gases. 2 , después de lo cual el extremo del tallo se calienta y se sella.

Para suministrar corriente eléctrica a la lámpara y fijarla en un soporte eléctrico, la lámpara está equipada con una base 13 , que se adjunta al cuello del matraz 1 realizado con masilla base. Los cables de la lámpara están soldados a los lugares correspondientes de la base. 12 .

La distribución de la luz de la lámpara depende de cómo se ubique el cuerpo incandescente y de qué forma tenga. Pero esto se aplica solo a las lámparas con bombillas transparentes. Si imaginamos que el filamento es un cilindro igualmente brillante y proyectamos la luz que emana de él en un plano perpendicular a la superficie más grande del filamento luminoso o espiral, entonces tendrá la máxima intensidad luminosa. Por lo tanto, para crear las direcciones necesarias de las fuerzas de la luz, en varios diseños de lámparas, a los filamentos se les da una determinada forma. En la Figura 2 se muestran ejemplos de formas de filamentos. El filamento recto sin espiral casi nunca se usa en las lámparas incandescentes modernas. Esto se debe al hecho de que con un aumento en el diámetro del cuerpo del filamento, la pérdida de calor a través del gas que llena la lámpara disminuye.

Figura 2. Construcción del cuerpo del filamento:
a- lámpara de proyección de alto voltaje; B- lámpara de proyección de bajo voltaje; v- proporcionando un disco de igual brillo

Una gran cantidad de cuerpos incandescentes se dividen en dos grupos. El primer grupo incluye los cuerpos incandescentes utilizados en lámparas de uso general, cuyo diseño se concibió originalmente como una fuente de radiación con una distribución uniforme de la intensidad luminosa. El objetivo del diseño de este tipo de lámparas es obtener la máxima eficiencia luminosa, que se consigue reduciendo el número de soportes a través de los cuales se enfría el filamento. El segundo grupo incluye los llamados cuerpos incandescentes planos, que se realizan en forma de espirales paralelas (en potentes lámparas de alto voltaje) o en forma de espirales planas (en lámparas de bajo voltaje de baja potencia). El primer diseño se realiza con una gran cantidad de soportes de molibdeno, que se unen con puentes cerámicos especiales. El filamento largo se coloca en forma de canasta, logrando así un alto brillo general. En lámparas incandescentes destinadas a sistemas ópticos, los cuerpos incandescentes deben ser compactos. Para hacer esto, el cuerpo incandescente se enrolla en un arco, doble o triple hélice. La figura 3 muestra las curvas de intensidad luminosa creadas por los cuerpos incandescentes de varios diseños.

Figura 3. Curvas de intensidad luminosa de lámparas incandescentes con diferentes cuerpos incandescentes:
a- en un plano perpendicular al eje de la lámpara; B- en un plano que pasa por el eje de la lámpara; 1 - espiral circular; 2 - bispiral recto; 3 - espiral ubicada en la superficie del cilindro

Las curvas requeridas de la intensidad luminosa de las lámparas incandescentes se pueden obtener utilizando bombillas especiales con revestimientos reflectantes o difusores. El uso de revestimientos reflectantes en una bombilla de forma adecuada permite una amplia variedad de curvas de intensidad luminosa. Las lámparas con revestimientos reflectantes se denominan lámparas de espejo (Figura 4). Si es necesario garantizar una distribución de luz particularmente precisa en las lámparas de espejo, se utilizan bombillas fabricadas por presión. Estas lámparas se denominan faros. Algunos diseños de lámparas incandescentes tienen reflectores metálicos integrados en la bombilla.

Figura 4. Lámparas incandescentes de espejo

Materiales utilizados en lámparas incandescentes.

Rieles

El elemento principal de las lámparas incandescentes es el cuerpo incandescente. Para la fabricación del filamento, lo más recomendable es utilizar metales y otros materiales con conducción electrónica. En este caso, al pasar una corriente eléctrica, el cuerpo se calentará a la temperatura requerida. El material del filamento debe cumplir una serie de requisitos: tiene un alto punto de fusión, ductilidad que permite trefilar alambres de varios diámetros, incluidos los muy pequeños, una baja tasa de evaporación a temperaturas de funcionamiento, lo que conduce a una alta vida útil, y similares. La Tabla 1 muestra las temperaturas de fusión de los metales refractarios. El metal más refractario es el tungsteno, que, junto con su alta ductilidad y baja tasa de evaporación, aseguró su uso generalizado como filamento para lámparas incandescentes.

tabla 1

Temperatura de fusión de los metales y sus compuestos.

Rieles	T, ° С	Carburos y mezclas de los mismos	T, ° С	Nitruros	T, ° С	Boridos	T, ° С
Tungsteno Renio Tantalio Osmio Molibdeno Niobio Iridio Circonio Platino	3410 3180 3014 3050 2620 2470 2410 1825 1769	4TaC + + HiC 4TaC + + ZrC HfC TaC ZrC NbC Tic WC W2C MoC VnC ScC Sic	3927 3887 3877 3527 3427 3127 2867 2857 2687 2557 2377 2267	TaC + + TaN HfN TiC + + TiN Broncearse ZrN Estaño BN	3373 3087 2977 2927 2727	HfB ZrB WB	3067 2987 2927

La tasa de evaporación del tungsteno a temperaturas de 2870 y 3270 ° C es 8.41 × 10 -10 y 9.95 × 10 -8 kg / (cm² × s).

Entre otros materiales, el renio puede considerarse prometedor, cuyo punto de fusión es ligeramente más bajo que el del tungsteno. El renio se presta bien para el mecanizado en un estado calentado, resistente a la oxidación y tiene una tasa de evaporación más baja que el tungsteno. Existen publicaciones extranjeras sobre la obtención de lámparas con filamento de tungsteno con aditivos de renio, así como el recubrimiento del filamento con una capa de renio. De los compuestos no metálicos, el carburo de tántalo es de interés, cuya tasa de evaporación es un 20-30% más baja que la del tungsteno. Un obstáculo para el uso de carburos, en particular carburo de tántalo, es su fragilidad.

La Tabla 2 resume las propiedades físicas básicas de un filamento de tungsteno ideal.

Tabla 2

Propiedades físicas básicas del filamento de tungsteno

Temperatura, K	Tasa de evaporación, kg / (m2 × s)	Resistencia eléctrica específica, 10-6 Ohm × cm	Brillo cd / m²	Eficiencia luminosa, lm / W	Temperatura de color, K
1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400	5.32 × 10 -35 2,51 × 10 -23 8,81 × 10-17 1,24 × 10-12 8,41 × 10-10 9,95 × 10 -8 3,47 × 10 -6	24,93 37,19 50,05 63,48 77,49 92,04 107,02	0,0012 1,04 51,2 640 3640 13260 36000	0,0007 0,09 1,19 5,52 14,34 27,25 43,20	1005 1418 1823 2238 2660 3092 3522

Una propiedad importante del tungsteno es la posibilidad de obtener sus aleaciones. Las piezas fabricadas con ellos conservan su forma estable a altas temperaturas. Cuando se calienta el alambre de tungsteno, durante el tratamiento térmico del filamento y el posterior calentamiento, su estructura interna cambia, lo que se denomina recristalización térmica. Dependiendo de la naturaleza de la recristalización, el filamento puede tener una mayor o menor estabilidad dimensional. Las impurezas y los aditivos añadidos al tungsteno durante su fabricación tienen un efecto sobre la naturaleza de la recristalización.

La adición de óxido de torio ThO 2 al tungsteno ralentiza el proceso de recristalización y proporciona una estructura cristalina fina. Dicho tungsteno es resistente a los golpes mecánicos, pero se hunde mucho y, por lo tanto, no es adecuado para la fabricación de cuerpos calefactores en forma de espirales. El tungsteno con un alto contenido de óxido de torio se utiliza para la fabricación de cátodos de lámparas de descarga de gas debido a su alta emisividad.

Para la fabricación de espirales, se utiliza tungsteno con un aditivo de óxido de silicio SiO 2 junto con metales alcalinos - potasio y sodio, así como tungsteno, que contiene, además de los indicados, un aditivo de óxido de aluminio Al 2 O 3. Este último da los mejores resultados al hacer biscules.

Los electrodos de la mayoría de las lámparas incandescentes están hechos de níquel puro. La elección se debe a las buenas propiedades de vacío de este metal, que emite gases absorbidos en él, altas propiedades conductoras y soldabilidad con tungsteno y otros materiales. La ductilidad del níquel le permite reemplazar la soldadura por engaste de tungsteno, que proporciona una buena conductividad eléctrica y térmica. En las lámparas de vacío incandescentes, se utiliza cobre en lugar de níquel.

Los soportes suelen estar hechos de alambre de molibdeno, que conserva su elasticidad a altas temperaturas. Esto permite que el filamento se mantenga estirado incluso después de que se haya expandido como resultado del calentamiento. El molibdeno tiene un punto de fusión de 2890 K y un coeficiente de temperatura de expansión lineal (TCLE) en el rango de 300 a 800 K igual a 55 × 10 -7 K -1. El molibdeno también se usa para hacer casquillos en vidrios refractarios.

Los cables de las lámparas incandescentes están hechos de alambre de cobre, que se suelda a tope a los cables. Las lámparas incandescentes de baja potencia no tienen terminales separados, su papel lo desempeñan los casquillos alargados de platino. La soldadura de estaño-plomo POS-40 se utiliza para soldar los cables a la base.

Vidrio

Los ejes, placas, vástagos, matraces y demás partes de vidrio utilizadas en la misma lámpara incandescente están fabricados en vidrio de silicato con el mismo coeficiente de temperatura de expansión lineal, que es necesario para asegurar la estanqueidad de los lugares de soldadura de estas partes. Los valores del coeficiente de temperatura de expansión lineal de los vidrios de las lámparas deben garantizar que se obtengan juntas coincidentes con los metales utilizados para la fabricación de casquillos. La marca de vidrio más utilizada SL96-1 con un coeficiente de temperatura de 96 × 10 -7 K -1. Este vidrio puede funcionar a temperaturas que oscilan entre los 200 y los 473 K.

Uno de los parámetros importantes del vidrio es el rango de temperatura dentro del cual conserva la soldabilidad. Para garantizar la soldabilidad, algunas piezas están hechas de vidrio SL93-1, que se diferencia del vidrio SL96-1 en composición química y en un rango de temperatura más amplio en el que conserva la soldabilidad. La marca de vidrio SL93-1 se caracteriza por un alto contenido de óxido de plomo. Si es necesario reducir el tamaño de los matraces, se utilizan más vidrios refractarios (por ejemplo, grado SL40-1), cuyo coeficiente de temperatura es 40 × 10 -7 K -1. Estos vidrios pueden operar a temperaturas de 200 a 523 K. La temperatura de operación más alta la posee el vidrio de cuarzo SL5-1, lámparas incandescentes de las cuales pueden operar a 1000 K y más durante varios cientos de horas (el coeficiente de temperatura de expansión lineal del vidrio de cuarzo es 5,4 x 10 -7 K -1). Los anteojos de las marcas enumeradas son transparentes para la radiación óptica en el rango de longitud de onda de 300 nm a 2,5 - 3 micrones. La transmisión del vidrio de sílice comienza a partir de 220 nm.

Entradas

Los casquillos están hechos de un material que, junto con una buena conductividad eléctrica, debe tener un coeficiente térmico de expansión lineal, lo que asegura que se obtengan uniones emparejadas con los vidrios utilizados para la fabricación de lámparas incandescentes. Se emparejan las uniones de materiales, cuyos valores del coeficiente térmico de expansión lineal en todo el rango de temperatura, es decir, desde el mínimo hasta la temperatura de recocido del vidrio, no difieren en más del 10-15%. Al soldar metal en vidrio, es mejor si el coeficiente térmico de expansión lineal del metal es ligeramente más bajo que el del vidrio. Luego, cuando se enfría, el vidrio comprime el metal. En ausencia de un metal con el valor requerido del coeficiente térmico de expansión lineal, es necesario hacer soldaduras incomparables. En este caso, un diseño especial proporciona una conexión de metal a vidrio hermética al vacío en todo el rango de temperatura, así como la resistencia mecánica de la soldadura.

Se obtiene una unión combinada con vidrio SL96-1 utilizando casquillos de platino. El alto costo de este metal ha llevado a la necesidad de desarrollar un sustituto llamado "platino". El platino es un alambre hecho de una aleación de hierro-níquel con un coeficiente de temperatura de expansión lineal más bajo que el del vidrio. Cuando se aplica una capa de cobre a dicho cable, es posible obtener un cable bimetálico bien conductor con un coeficiente de expansión lineal de alta temperatura, dependiendo del grosor de la capa de la capa de cobre superpuesta y el coeficiente térmico de expansión lineal. del cable original. Obviamente, este método de igualar los coeficientes de temperatura de expansión lineal permite igualar principalmente en términos de expansión diametral, dejando sin igual el coeficiente de temperatura de expansión longitudinal. Para asegurar la mejor densidad de vacío de las juntas del vidrio SL96-1 con platino y para aumentar la humectabilidad sobre la capa de cobre oxidada sobre la superficie a óxido de cobre, el alambre se cubre con una capa de bórax (sal sódica del ácido bórico). Se proporcionan soldaduras suficientemente fuertes cuando se utiliza alambre de platino con un diámetro de hasta 0,8 mm.

El ajuste hermético al vacío en el vidrio SL40-1 se obtiene utilizando alambre de molibdeno. Este par proporciona un ajuste más consistente que el vidrio SL96-1 con platino. El uso limitado de esta soldadura se debe al alto costo de las materias primas.

Para obtener casquillos estancos al vacío en vidrio de cuarzo, se requieren metales con un coeficiente térmico de dilatación lineal muy bajo, que no existen. Por tanto, obtengo el resultado deseado gracias a la estructura de entrada. El metal utilizado es el molibdeno, que se caracteriza por una buena humectabilidad con el vidrio de cuarzo. Para las lámparas incandescentes en matraces de cuarzo, se utilizan glándulas de lámina simples.

Gases

El llenado de lámparas incandescentes con gas permite aumentar la temperatura de funcionamiento del cuerpo incandescente sin reducir la vida útil debido a una disminución en la tasa de pulverización catódica de tungsteno en un medio gaseoso en comparación con la pulverización en vacío. La tasa de atomización disminuye al aumentar el peso molecular y la presión del gas de llenado. La presión de los gases de llenado es de aproximadamente 8 × 104 Pa. ¿Qué gas usar para esto?

El uso de un medio gaseoso conduce a la aparición de pérdidas de calor debido a la conducción de calor a través del gas y la convección. Para reducir las pérdidas, es ventajoso llenar las lámparas con gases inertes pesados ​​o mezclas de los mismos. Estos gases incluyen nitrógeno, argón, criptón y xenón obtenidos del aire. La Tabla 3 muestra los principales parámetros de los gases inertes. El nitrógeno en su forma pura no se utiliza debido a las grandes pérdidas asociadas con su conductividad térmica relativamente alta.

Tabla 3

Parámetros básicos de gases inertes

Dos bombillas de la guirnalda navideña se incluyen en serie.

Hoy, cuando la gente se prepara para celebrar el Año Nuevo, en el blog SamElektrik.ru ya estamos pensando en el verano. Más precisamente, sobre el verano, ¡cuyo primer artículo se publica hoy!

El artículo puede considerarse científico y teórico, pero más bien de ingeniería y práctico.
No cabe duda de que el artículo puede resultar interesante para ingenieros y técnicos cuyas actividades estén relacionadas con el funcionamiento de un dispositivo tan sencillo y familiar para todos nosotros como es una bombilla incandescente. Y también, para todos los que estén interesados ​​en la física.

Les recuerdo que en mi blog ya hubo un intento de investigar este problema - en mi artículo ““

A pesar de lo común de la bombilla, a pesar de su “vida cotidiana”, las características de su funcionamiento tienen lo que comúnmente se denomina “manchas blancas”.

Por el momento, los parámetros eléctricos de una lámpara incandescente no se pueden calcular si el modo de funcionamiento difiere del pasaporte (del modo para el que está diseñada la lámpara). El autor propone un modelo físico, en cuyo marco es posible obtener una serie de fórmulas adecuadas para resolver una amplia gama de problemas prácticos de ingeniería.

Expreso mi gratitud al propietario del recurso por la amablemente dada oportunidad de publicar estas memorias.

S.

Lampara incandescente

Se propone que este artículo sea entendido como una interpretación ampliada (o explicación) del artículo "Ley de Kepler para una bombilla incandescente" - https://www.proza.ru/2016/09/19/1858

Este artículo contiene una fórmula que permite calcular los parámetros de una lámpara incandescente en modos arbitrarios, incluidos modos que se diferencian de los del pasaporte.

La fórmula para la dependencia del voltaje y la potencia de una bombilla.

Esta es la fórmula principal del artículo, cuyo resultado se dará a continuación. La fórmula se ve así:

Para cualquier lámpara incandescente, existe un parámetro que es estable en una amplia gama de modos eléctricos. Este parámetro es la relación entre el cubo de voltaje y la potencia al cuadrado.

La técnica para usar la fórmula es simple.

Tomamos una bombilla, leemos en la bombilla o en la base los parámetros para los que está diseñada: voltaje y potencia, calculamos la constante, luego insertamos cualquier voltaje arbitrario en la fórmula y calculamos la potencia que se liberará en la bombilla. .

Conociendo la potencia, es fácil calcular la corriente.

Conociendo la corriente, es fácil calcular la resistencia del filamento.

Por tanto, consideraremos las cuestiones relacionadas con el correcto funcionamiento de la fórmula, así como aquellas restricciones que son inevitables por el hecho de que simplemente no existen fórmulas “absolutas”.

Sin embargo, primero, un poco de "teoría" ...

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Premisas "teóricas" básicas

La fórmula se obtuvo suponiendo que en el metal (del que está compuesto el filamento), la corriente y la resistencia tienen una única esencia física.

En una forma simplificada, se puede argumentar algo como esto.

Según las opiniones modernas, la corriente es un movimiento ordenado de portadores de carga. Para el metal, estos serán electrones.

Se ha sugerido que la resistencia eléctrica de un metal está determinada por el movimiento CAÓTICO de los mismos electrones.

Con un aumento de la temperatura del filamento, aumenta el movimiento caótico de los electrones, lo que finalmente conduce a un aumento de la resistencia eléctrica.

De nuevo. La corriente y la resistencia en un filamento son lo mismo. La única diferencia es que la corriente es un movimiento ordenado bajo la influencia de un campo eléctrico y la resistencia es un movimiento caótico de electrones.

Un poco de "escolasticismo algebraico"

Ahora que la "teoría" ha terminado (sonrió), daré cálculos algebraicos para la derivación de la fórmula "principal".

El registro canónico de la ley de Ohm se ve así:

Yo * R = U

Para poner los valores cuantitativos en conformidad, es necesario ingresar los coeficientes de proporcionalidad correspondientes, para el componente actual - Кт y para el componente resistivo - Кр:

Las consideraciones más generales llevan a la idea de que estos coeficientes deben ser valores recíprocos entre sí, lo que significa:

En este caso, multiplicando los lados derecho e izquierdo por pares (en el sistema de ecuaciones), volvemos a la notación original de la ley de Ohm:

Yo * R = U

Derivación final de la fórmula

Consideremos con más detalle el sistema de ecuaciones:

Elevemos al cuadrado la primera ecuación y multipliquemos por pares.

En el lado izquierdo vemos la expresión para la potencia, y también teniendo en cuenta que el producto de los coeficientes es igual a uno, finalmente reescribiremos:

De aquí obtenemos una expresión para el coeficiente actual:

Y para el coeficiente resistivo (son recíprocos):
donde Pnom y Unom son la potencia nominal y el voltaje marcados en la base o en la bombilla de la lámpara.

Queda por sustituir estos valores de los coeficientes en la fórmula “DIVIDIDA” de la Ley de Ohm, y recibiremos las expresiones finales para la corriente y la resistencia.

Multiplicando la última razón por Ux, obtenemos:

Para no molestarse con estos cuadrados, cubos y raíces, basta con recordar una relación simple que se sigue de la última relación. Al elevar al cuadrado la última proporción, obtenemos una fórmula clara y comprensible:

Para cualquier bombilla con filamento de tungsteno, la relación entre el cubo de voltaje y el cuadrado de la potencia es un valor CONSTANTE.

Las relaciones obtenidas mostraron una excelente concordancia con resultados prácticos (mediciones) en una amplia gama de parámetros de voltaje y para muy diferentes tipos de lámparas incandescentes, que van desde interiores, automóviles y terminando con bombillas para linternas ...

Algunas consideraciones generales sobre la resistencia de las bombillas incandescentes

Por supuesto, para valores de voltaje bajo (cuando el voltaje aplicado es SIGNIFICATIVAMENTE diferente del voltaje nominal), nuestras fórmulas se “tuercen”.

Por ejemplo, al calcular la resistencia de una bombilla incandescente de habitación 95W, 230V, conectada a una fuente de voltaje de 1 voltio, la fórmula

da un valor de resistencia del filamento de 36,7171 ohmios.

Si asumimos que aplicamos un voltaje de 0.1 voltios a la lámpara, entonces la resistencia calculada del filamento será de 11.611 ohmios ...

La intuición sugiere que este no es el caso en absoluto, pero no del todo ...

En la región de bajos voltajes, la fórmula "bajará" de manera estable el valor de la resistencia de diseño en comparación con la real, y el punto es este ...

En el concepto en consideración, se asume implícitamente que el movimiento caótico de los electrones se "LET" en ausencia de un voltaje externo aplicado. Sin embargo, es obvio que el movimiento de los electrones no se "congela" incluso en ausencia de un voltaje externo aplicado (si la lámpara simplemente descansa sobre la mesa y no se enciende en ningún lado).

El movimiento caótico de los electrones es de naturaleza TÉRMICA y se debe a la TEMPERATURA NATURAL del filamento.

Este momento no es tomado en cuenta por la fórmula y una medición directa de la resistencia del hilo por parte del dispositivo mostrará inevitablemente la diferencia entre el valor de resistencia medido y el calculado.

Radiación y eficiencia de una bombilla incandescente

Antes de abordar la cuestión de la aplicabilidad de la fórmula para calcular los modos de "baja tensión", conviene centrarse en un punto.

Una bombilla es un convertidor casi perfecto de energía eléctrica en energía radiante.

El hecho de que los desarrolladores de bombillas estén luchando duro para mejorar la eficiencia de la bombilla no afecta de ninguna manera esta afirmación. Una lámpara incandescente es un convertidor ideal de energía eléctrica en radiación.

El hecho es que los desarrolladores se esfuerzan por aumentar la producción de energía LUMINOSA, y es en este sentido que se calcula la eficiencia. El desarrollador busca incrementar el coeficiente de conversión de energía eléctrica en radiación LIGERA, en radiación en el rango visible.

Esta eficiencia de una bombilla es realmente PEQUEÑA. Sin embargo, la bombilla emite excelentemente en TODO el espectro y mucho en el rango infrarrojo, donde nuestros ojos no pueden ver.

Para el cálculo de parámetros puramente eléctricos, no es absolutamente importante para nosotros EN QUÉ rango emite la bombilla. Solo es importante que recordemos que la bombilla SIEMPRE RADIA, si solo se le aplica algo de voltaje (incluso el más pequeño). Y es importante recordar que la potencia suministrada se disipa precisamente en forma de radiación.

Cuánta energía eléctrica se suministra a la lámpara, es TAL energía la que se disipará en forma de radiación.

La ley de conservación de la energía no se ha cancelado y tampoco se ha cancelado la segunda ley de la termodinámica. Esto significa que cuánta ganancia debería disminuir. Y disminuirá precisamente en forma de radiación, porque simplemente no hay a dónde ir más energía, solo en la radiación. Ésta es una circunstancia muy importante.

Estructuralmente, el filamento es un alambre delgado de tungsteno con un diámetro de aproximadamente 50 micrones y una longitud de aproximadamente medio metro, enrollado en una espiral de configuración intrincada.

El vacío en el matraz excluye la posibilidad de intercambio de calor por convección - SOLO MEDIANTE RADIACIÓN.

Por supuesto, una parte del calor sale a través de las antenas de la lámpara a la que está adherida la espiral, pero esto es minúsculo.

Para visualizar esta pequeñez, puede dibujar una analogía.

Repito, el hilo de tungsteno en sí es exactamente del tamaño de un cabello de una coleta de primer grado, 50 cm de largo y 50 micrones de diámetro.

Si agranda visualmente este cabello ... ¡es como si tuviéramos alambres con un diámetro de 1 mm y una longitud de 10 metros! El sentido común dicta que este cableado NO se enfría en absoluto mediante transferencia de calor en los bordes. Sí, algo desaparecerá en los lugares de contacto, pero la energía principal se disipará a lo largo de toda la longitud del cableado.

Para el caso de una espiral ubicada en el vacío, toda la potencia irá a RADIACIÓN, sin importar en qué rango del espectro ...

Un experimento importante con la medición de la resistencia con un ohmímetro.

Cualquier corriente, incluso la más pequeña, tendrá un efecto térmico en el cableado, CALENTÁNDOLO ...

Al medir la resistencia de una bombilla con un probador, ... pasamos una CORRIENTE a través de ella. La corriente del probador es pequeña, pero lo es. Por tanto, midiendo la resistencia del hilo, CALENTAMOS el hilo y, como consecuencia, cambiamos el valor del parámetro por el mismo hecho de la medida.

En términos generales, el probador TAMBIÉN MIENTE. El probador muestra un valor de resistencia de bobina NO VERDADERO.

Para convencerse de esta circunstancia, puede hacer un experimento sencillo. Cualquiera lo puede hacer.

Puede usar el MISMO probador para seleccionar dos bombillas con los mismos valores (cercanos) de la resistencia al "frío" del filamento y medir la resistencia de DOS bombillas, primero cada una por separado y luego conectadas en serie.

Las mediciones repetidas muestran que la suma de las resistencias medidas por separado NO COINCIDE con la resistencia total de la conexión en serie ...

Medimos las resistencias de las bombillas por separado.

Luego medimos la resistencia de la conexión en serie.

Y observamos ESTABILmente que la suma de las resistencias medidas "una a una" resulta ser MÁS que la resistencia total de las bombillas conectadas en serie.

El dispositivo es el mismo, el rango de medición no se cambió, por lo que se excluyen los errores de medición metódicos.

Y todo se vuelve CLARO.

La resistencia en serie de las dos bobinas REDUCE la corriente del probador y los filamentos se calientan menos.

Y cuando medimos las bombillas por separado, entonces la corriente de medición es mayor y, en consecuencia, las lecturas del dispositivo aumentan debido a, incluso un pequeño, pero AUMENTO en la temperatura de los filamentos debido al calentamiento durante la medición ...

Anteriormente (hace un cuarto de siglo, cuando los probadores digitales aún eran exóticos) era imposible con un indicador de flecha detectar esta diferencia. Ahora, en cualquier hogar hay un probador digital chino y cualquiera puede hacer este sencillo experimento.

La diferencia en las resistencias es pequeña, pero la diferencia es OBVIA, lo que excluye incluso un indicio de una posible incorrección de la experiencia.

Conecté las bombillas, conecté el probador y fotografié los resultados de tales experimentos. Las fotografías muestran claramente que el probador muestra una resistencia reducida de las bombillas conectadas en serie.

En las fotografías de las bombillas domésticas de 60 vatios 220 voltios, la suma de las resistencias medidas por separado: 72,0 + 65,2 = 137,2 ohmios.

Sin embargo, al medir la resistencia en serie, el dispositivo “reduce” la lectura a 136,8 ohmios.

Se observa una imagen similar para los bulbos de guirnalda:

Producción. La fórmula de cálculo muestra el valor REDUCIDO de la resistencia de la bobina "fría".

La medición con un probador muestra una resistencia EXCEDIDA de la bobina "fría".

Surge un pensamiento natural - ¡¡Qué miedo vivir !!! ¿A quién creer?

Tratemos de entender este problema ...

Potencia de radiación en relación con el fondo circundante

Estimemos la potencia de radiación de la lámpara correspondiente a la temperatura ambiente de fondo.

Se sabe que la constante de Stefan-Boltzmann σ = 5.670373 · 10 -8, entonces la potencia de radiación por metro cuadrado

P = σ ST 4

Como valor estimado arbitrario, tomaremos el diámetro de la espiral de 40 micrones y la longitud de 50 cm. La temperatura en condiciones normales es 293K (20C). Sustituyendo estos datos en la fórmula de Stefan-Boltzmann, obtenemos la potencia de radiación a una temperatura de 0.026258 vatios.

Por interés, calculemos la potencia a diferentes temperaturas ambientales:

Menos 40 (233 K) 0,0105 vatios

Menos 20 (253 K) 0,0146 vatios

Cero (273K) 0,0198 vatios

Más 20 (293K) 0.026258 W (condiciones normales)

Más 40 (313K) 0,0342 vatios

Por curiosidad, puede dar un cálculo de la radiación de la lámpara cuando la temperatura ambiente es de 2300K:

P = 99,7 vatios.

Eso, en general, está de acuerdo con el estado real de las cosas: una lámpara diseñada para 100 vatios se calienta hasta una temperatura de 2300K.

Podemos decir con un alto grado de confianza que esta geometría en espiral corresponde a una bombilla de "cien vatios" diseñada para 220 voltios.

Y ahora recalculemos estos valores de potencias al voltaje "reducido". Como si la temperatura ambiente fuera Cero Absoluto, y se aplicara algo de voltaje a la lámpara, calentando la bobina.

Para el recálculo, utilizamos la relación obtenida de que los voltajes y las potencias corresponden a los grados "tres" y "dos".

temple, K	voltaje, V
233	0,489665457
253	0,609918399
273	0,747109176
293	0,902119352
313	1,075809178

La tabla muestra que la potencia "actual" de la bombilla a un voltaje de 0.902 ... Voltio calienta la bobina a una temperatura de 293K. Asimismo, la potencia de "corriente" a 1.0758 voltios calentará la bobina a 313 K (20 grados más).

Repito una vez más, esto siempre que la temperatura ambiente sea igual a Cero Absoluto.

Producción... Un cambio muy pequeño de voltaje tiene un efecto significativo en la temperatura del filamento. El voltaje se modificó en unas diecisiete centésimas de voltio (1.0758 - 0.902 = 0.1738) y la temperatura aumentó en 20 grados.

Estos cálculos son muy arbitrarios, pero pueden usarse como valores ESTIMADOS.

La estimación es naturalmente muy aproximada, porque la ley de Stefan-Boltzmann describe la radiación de un emisor "ideal" - un cuerpo absolutamente negro (BBB), y la espiral es muy diferente de la BBT, pero, sin embargo, obtuvimos una muy plausible "figura" ...

De la placa de Excel se puede ver que ya con un voltaje de 1 voltio en la lámpara, la temperatura de la espiral será de 40 grados centígrados. Si aplicamos más, habrá más.

Una conclusión natural sugiere que a un voltaje de 10-15 voltios, el hilo estará bastante caliente, aunque visualmente no será visible.

A la vista, el hilo aparecerá "NEGRO" (frío) hasta temperaturas de 600 grados (el comienzo de la radiación en el rango visible).

Aquellos que quieran "impulsar los números" pueden hacerlo por sí mismos utilizando la fórmula de Stefan-Boltzmann.

Los resultados serán condicionales, en vista de que (como se mencionó anteriormente) la espiral tiene algún albedo y no corresponde al emisor de cuerpo negro, PERO (!) La estimación de temperatura será bastante confiable ...

Repito, es una EVALUACIÓN. El hilo comienza a brillar a unos 20 voltios.

Además, me gustaría llamar su atención sobre la difusión de los parámetros de las bombillas.

En la foto con el probador, las pequeñas bombillas (cadenas de margaritas) fueron seleccionadas y calibradas por mí con mucho cuidado. Para diversos fines de medición y experimentos. Por eso muestran la misma resistencia, que se llama “bala a bala”.

Las expresiones para corrientes se equiparan. Pequeñas transformaciones algebraicas. Y se obtiene la ecuación cuadrada final para el Us desconocido.

De la figura se desprende claramente que Us es el voltaje a través de la lámpara.

Del administrador del blog.

Este artículo participa en el Concurso de artículos de verano de 2018. Resumiendo (tentativamente) - en junio de 2018. Suscríbete para recibir nuevos artículos y únete al grupo VK, ¡siempre hay más noticias que en el blog!

A menudo sucede que un dispositivo utilizado en la vida cotidiana, que es de gran importancia para toda la humanidad, no nos recuerda de ninguna manera a su creador. Pero en nuestros hogares se encendió gracias al esfuerzo de personas específicas. Su mérito para la humanidad es invaluable: nuestros hogares están llenos de luz y calidez. La historia a continuación le presentará este gran invento y los nombres de aquellos con los que está asociado.

En cuanto a este último, se pueden señalar dos nombres: Alexander Lodygin y Thomas Edison. Aunque el mérito del científico ruso fue muy grande, la palma pertenece al inventor estadounidense. Por lo tanto, hablaremos brevemente sobre Lodygin y hablaremos en detalle de los logros de Edison. Es con sus nombres que se asocia la historia de las lámparas incandescentes. Se dice que Edison pasó una gran cantidad de tiempo en las bombillas. Tuvo que realizar unos 2 mil experimentos antes de que naciera la construcción, familiar para todos nosotros.

El invento de Alexander Lodygin

La historia de las lámparas incandescentes es muy similar a la historia de otros inventos hechos en Rusia. Alexander Lodygin, un científico ruso, pudo hacer que una barra de carbón brillara en un recipiente de vidrio del que se evacuaba el aire. La historia de la creación de una lámpara incandescente comienza en 1872, cuando logró hacerlo. Alexander recibió una patente para una lámpara incandescente de carbono eléctrica en 1874. Un poco más tarde, propuso reemplazar la varilla de carbono con tungsteno. La parte de tungsteno todavía se usa en lámparas incandescentes.

Mérito de Thomas Edison

Sin embargo, fue el inventor estadounidense quien pudo crear un modelo duradero, confiable y económico en 1878. Además, logró establecer su producción. En sus primeras lámparas, se utilizaron virutas carbonizadas de bambú japonés como filamentos incandescentes. Los filamentos de tungsteno, que nos son familiares, aparecieron mucho más tarde. Comenzaron a usarse por iniciativa de Lodygin, el ingeniero ruso mencionado anteriormente. Si no fuera por él, quién sabe cómo se habría desarrollado la historia de las lámparas incandescentes en los años venideros.

La mentalidad estadounidense de Edison

Significativamente diferente del ruso. El ciudadano estadounidense Thomas Edison lo entendió bien. Curiosamente, mientras reflexionaba sobre cómo hacer más fuerte la cinta telegráfica, este científico inventó el encerado de papel. Este papel se usó luego como envoltorio de caramelo. Siete siglos de historia occidental precedieron a la invención de Edison, y no tanto al desarrollo del pensamiento técnico como al desarrollo gradual de la actitud activa hacia la vida de las personas. Muchos científicos talentosos persiguieron obstinadamente esta invención. La historia del origen de la lámpara incandescente está asociada, en particular, al nombre de Faraday. Creó obras fundamentales de física, sin el apoyo de las cuales la invención de Edison difícilmente hubiera sido factible.

Otros inventos hechos por Edison

Thomas Edison nació en 1847 en Port Heron, una pequeña ciudad estadounidense. El hecho de que el joven inventor tuviera la capacidad de encontrar instantáneamente inversores para sus ideas, incluso los más atrevidos, jugó un papel en la autorrealización de Thomas. Y estaban dispuestos a arriesgar grandes sumas de dinero. Por ejemplo, cuando todavía era un adolescente, Edison decidió imprimir un periódico en un tren mientras estaba en movimiento y luego vendérselo a los pasajeros. Y las noticias para el periódico deberían haberse recopilado directamente en las paradas de autobús. Inmediatamente hubo personas que prestaron dinero para comprar una pequeña imprenta, así como quienes dejaron a Edison en el vagón de equipajes con esta prensa.

Las invenciones anteriores a Thomas Edison fueron realizadas por científicos y fueron un subproducto de sus descubrimientos, o por practicantes que perfeccionaron lo que tenían para trabajar. Fue Edison quien hizo de la invención una profesión separada. Tenía muchas ideas, y casi cada una de ellas era un brote para la siguiente, que requería un mayor desarrollo. Thomas, a lo largo de su larga vida, no se preocupó por su comodidad personal. Se sabe que cuando visitó Europa, ya en el cenit de la fama, se sintió decepcionado por la pereza y la pulcritud de los inventores europeos.

Fue difícil encontrar un área en la que Thomas no hubiera logrado un gran avance. Se estima que este científico realizó unos 40 descubrimientos importantes al año. En total, Edison recibió 1.092 patentes.

El espíritu del capitalismo estadounidense empujó a Thomas Edison. Se las arregló para hacerse rico a la edad de 22 años cuando se le ocurrió un ticker cotizado para la Bolsa de Valores de Boston. Sin embargo, el invento más importante de Edison fue precisamente la creación de una lámpara incandescente. Thomas logró con su ayuda electrificar a todo Estados Unidos y luego al mundo entero.

Construcción de una central eléctrica y los primeros consumidores de electricidad.

La historia de la lámpara comienza con la construcción de una pequeña central eléctrica. El científico lo construyó en su Menlo Park. Se suponía que debía atender las necesidades de su laboratorio. Sin embargo, la energía recibida resultó ser más de la necesaria. Entonces Edison comenzó a vender el excedente a los agricultores vecinos. Es poco probable que estas personas se dieran cuenta de que eran los primeros consumidores pagados de electricidad del mundo. Edison nunca aspiró a convertirse en emprendedor, pero cuando necesitaba algo para su trabajo, abrió una pequeña producción en Menlo Park, que posteriormente creció a gran tamaño y siguió su propio camino de desarrollo.

Historial de cambios de dispositivo de lámpara incandescente

Una lámpara incandescente eléctrica es una fuente de luz donde se produce la transformación en energía de luz eléctrica debido a la incandescencia de un conductor refractario con una corriente eléctrica. La energía luminosa se obtuvo primero de esta manera pasando una corriente a través de una barra de carbono. Esta varilla se colocó en un recipiente del que previamente se había evacuado el aire. Thomas Edison en 1879 creó una estructura más o menos duradera utilizando fibra de carbono. Sin embargo, existe una historia bastante larga de la lámpara incandescente en su forma actual. Como cuerpo incandescente en 1898-1908. intentó utilizar diferentes metales (tantalio, tungsteno, osmio). El filamento de tungsteno en zigzag se ha utilizado desde 1909. Las lámparas incandescentes comenzaron a llenarse en 1912-13. (criptón y argón) y nitrógeno. Al mismo tiempo, el filamento de tungsteno comenzó a fabricarse en forma de espiral.

La historia del desarrollo de la lámpara incandescente está aún más marcada por su mejora al mejorar la eficiencia luminosa. Esto se hizo aumentando la temperatura corporal del resplandor. Al mismo tiempo, se mantuvo la vida útil de la lámpara. Llenarlo con gases inertes de alto peso molecular con la adición de halógeno redujo la contaminación del matraz con partículas de tungsteno rociadas en su interior. Además, redujo la velocidad de su evaporación. El uso de un cuerpo incandescente en forma de bis-hélice y tris-hélice condujo a una reducción de la pérdida de calor a través del gas.

Esta es la historia de la invención de la lámpara incandescente. Seguro que te interesará conocer cuáles son sus diversas variedades.

Variedades modernas de lámparas incandescentes.

Muchos tipos de lámparas eléctricas se componen de ciertas partes del mismo tipo. Se diferencian en forma y tamaño. En una varilla de metal o vidrio dentro de la bombilla, se fija un cuerpo de filamento (es decir, una espiral de tungsteno) con la ayuda de soportes hechos de alambre de molibdeno. Los extremos de la espiral están unidos a los extremos de los casquillos. Para crear una conexión hermética al vacío con una hoja de vidrio, la parte central de los casquillos está hecha de molibdeno o platino. La bombilla de la lámpara se llena con un gas inerte durante el tratamiento al vacío. Luego se suelda el vástago y se forma un pico. La lámpara está equipada con una base para fijar en el soporte y proteger el pico. Se fija al matraz con base de masilla.

Apariencia de las lámparas

Hoy en día, existen muchas incandescentes incandescentes, que se pueden dividir según áreas de aplicación (para faros de automóvil, uso general, etc.), según las propiedades lumínicas de su bombilla o forma constructiva (decorativa, espejo, con revestimiento difusor, etc.), así como según la forma que tenga el cuerpo incandescente (con bis-espiral, con espiral plana, etc.). En cuanto a las dimensiones, las hay grandes, normales, pequeñas, miniatura y subminiatura. Por ejemplo, estos últimos incluyen lámparas con una longitud inferior a 10 mm, cuyo diámetro no supera los 6 mm. En cuanto a los de gran tamaño, incluyen aquellos cuya longitud es superior a 175 mm y el diámetro es de al menos 80 mm.

Vataje de la lámpara y vida útil

Las lámparas incandescentes modernas pueden operar a voltajes desde una fracción de una unidad hasta varios cientos de voltios. Su capacidad puede ser de decenas de kilovatios. Si la tensión aumenta en un 1%, el flujo luminoso aumentará en un 4%. Sin embargo, esto reducirá la vida útil en un 15%. Si enciende la lámpara durante un tiempo breve a un voltaje que excede el 15% del nominal, se desactivará. Es por eso que tan a menudo las caídas de voltaje hacen que las bombillas se quemen. Su vida útil varía de cinco horas a mil o más. Por ejemplo, los faros de los aviones se diseñan para un período breve y los de transporte pueden funcionar durante mucho tiempo. En este último caso, deben instalarse en lugares que permitan una fácil sustitución. Hoy en día, la eficacia luminosa de las lámparas depende del voltaje, el diseño, la duración de la combustión y la potencia. Tiene unos 10-35 lm / W.

Bombillas incandescentes hoy

Las lámparas incandescentes, en términos de su eficiencia luminosa, son ciertamente inferiores a las fuentes de luz alimentadas por gas (lámpara fluorescente). Sin embargo, son más fáciles de operar. Las lámparas incandescentes no requieren accesorios ni arrancadores complejos. Prácticamente no hay restricciones de potencia y voltaje para ellos. En el mundo de hoy, se producen alrededor de 10 mil millones de lámparas cada año. Y el número de sus variedades supera los 2 mil.

Lámpara led

La historia del origen de la lámpara ya se ha escrito, mientras que la historia del desarrollo de esta invención aún no se ha completado. Están surgiendo nuevas variedades y se están volviendo cada vez más populares. Estamos hablando principalmente de lámparas LED (una de ellas se muestra en la foto de arriba). También se les conoce como energéticamente eficientes. Estas lámparas tienen más de 10 veces la eficacia luminosa de las lámparas incandescentes. Sin embargo, tienen una desventaja: la fuente de alimentación debe ser de bajo voltaje.

Una lámpara incandescente es un dispositivo de iluminación, una fuente de luz artificial. La luz es emitida por una bobina de metal calentada cuando una corriente eléctrica fluye a través de ella.

Principio de operación

Una lámpara incandescente utiliza el efecto de calentar un conductor (filamento) cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. La temperatura del filamento de tungsteno aumenta bruscamente después de que se conecta la corriente. El filamento emite radiación electromagnética de acuerdo con la ley. Tablón... La función de Planck tiene un máximo, cuya posición en la escala de longitud de onda depende de la temperatura. Este máximo cambia con el aumento de temperatura hacia longitudes de onda más cortas (la ley del desplazamiento Culpa). Para obtener radiación visible, la temperatura debe ser del orden de varios miles de grados, idealmente 6000 K (temperatura superficial Soles). Cuanto menor es la temperatura, menor es la proporción de luz visible y más "roja" aparece la radiación.

La lámpara incandescente convierte parte de la energía eléctrica consumida en radiación, parte sale como resultado de los procesos de conducción de calor y convección. Solo una pequeña fracción de la radiación se encuentra en la región de la luz visible, la fracción principal es la radiación infrarroja. Para aumentar la eficiencia de la lámpara y obtener la máxima luz "blanca", es necesario aumentar la temperatura del filamento, que a su vez está limitado por las propiedades del material del filamento: la temperatura de fusión. La temperatura ideal de 6000 K es inalcanzable, porque a esta temperatura cualquier material se derrite, colapsa y deja de conducir corriente eléctrica. En las lámparas incandescentes modernas, se utilizan materiales con puntos de fusión máximos: tungsteno (3410 ° C) y, muy raramente, osmio (3045 ° C).

A temperaturas prácticamente alcanzables de 2300-2900 ° C, lejos del blanco y no se emite luz del día. Por esta razón, las bombillas incandescentes emiten una luz que parece más "amarillo-roja" que la luz del día. Para caracterizar la calidad de la luz, el llamado. Temperatura del color.

En aire normal a estas temperaturas, el tungsteno se convertiría instantáneamente en óxido. Por esta razón, el filamento de tungsteno está protegido por una ampolla de vidrio llena de un gas neutro (generalmente argón). Las primeras bombillas se hicieron con bombillas evacuadas. Sin embargo, en el vacío a altas temperaturas, el tungsteno se evapora rápidamente, haciendo que el filamento sea más delgado y oscureciendo el bulbo de vidrio cuando se deposita sobre él. Posteriormente, los matraces se llenaron con gases químicamente neutros. Los matraces de vacío ahora se utilizan solo para lámparas de baja potencia.

Diseño

Una lámpara incandescente consta de una base, conductores de contacto, un filamento, un fusible y una bombilla de vidrio que protege el filamento del medio ambiente.

Matraz

Una bombilla de vidrio protege el filamento de la combustión en el aire ambiente. Las dimensiones del bulbo están determinadas por la tasa de deposición del material del filamento. Las lámparas más grandes requieren bombillas más grandes para que el material de filamento depositado se extienda sobre un área grande y no tenga un efecto fuerte sobre la transparencia.

Gas tampón

Se vaciaron los frascos de las primeras lámparas. Las lámparas modernas se llenan con un gas amortiguador (a excepción de las lámparas de baja potencia, que todavía se hacen al vacío). Esto reduce la tasa de evaporación del material del filamento. Las pérdidas de calor que surgen en este caso debido a la conductividad térmica se reducen eligiendo un gas con las moléculas más pesadas posibles. Las mezclas de nitrógeno / argón son un compromiso aceptado en términos de ahorro de costes. Las lámparas más caras contienen criptón o xenón (pesos atómicos: nitrógeno: 28.0134 g / mol; argón: 39.948 g / mol; criptón: 83.798 g / mol; xenón: 131.293 g / mol)

Filamento

El filamento de las primeras bombillas estaba hecho de carbón (punto de sublimación 3559 ° C). En las bombillas modernas, se utilizan casi exclusivamente espirales de aleación de osmio-tungsteno. El alambre tiene a menudo la forma de una doble hélice para reducir la convección al reducir la capa de Langmuir.

Las lámparas se fabrican para varios voltajes de funcionamiento. La intensidad de la corriente se determina según la ley de Ohm (I = U / R) y la potencia según la fórmula P = U \ cdot I, o P = U2 / R. Con una potencia de 60 W y una tensión de funcionamiento de 230 V , una corriente de 0.26 A debe fluir a través de la bombilla, es decir, la resistencia del filamento debe ser de 882 ohmios. Dado que los metales tienen baja resistividad, se requiere un cable largo y delgado para lograr esta resistividad. El grosor del alambre en las bombillas convencionales es de 40 a 50 micrones.

Dado que el filamento está a temperatura ambiente cuando se enciende, su resistencia es mucho menor que la resistencia de funcionamiento. Por lo tanto, cuando se enciende, fluye una corriente muy grande (dos o tres veces la corriente de funcionamiento). A medida que el hilo se calienta, su resistencia aumenta y la corriente disminuye. A diferencia de las lámparas modernas, las primeras lámparas incandescentes de filamento de carbono, cuando se encienden, funcionan de acuerdo con el principio opuesto: cuando se calientan, su resistencia disminuye y el brillo aumenta lentamente.

Un interruptor bimetálico está integrado en las luces intermitentes en serie con el filamento. Debido a esto, tales lámparas funcionan de forma independiente en modo intermitente.

Pedestal

Se ha propuesto la forma de la base con un hilo de una lámpara incandescente convencional Thomas Alva Edison... Los tamaños de los zócalos están estandarizados.

Fusible

El fusible (un trozo de cable delgado) está ubicado en la base de la lámpara incandescente, diseñado para evitar la aparición de un arco eléctrico cuando la lámpara se quema. Para lámparas domésticas con una tensión nominal de 220 V, estos fusibles suelen tener una capacidad nominal de 7 A.

Eficiencia y durabilidad

Casi toda la energía suministrada a la lámpara se convierte en radiación. Las pérdidas debidas a la conducción de calor y la convección son pequeñas. Para el ojo humano, sin embargo, solo se dispone de una pequeña gama de longitudes de onda de esta radiación. La mayor parte de la radiación se encuentra en el rango infrarrojo invisible y se percibe como calor. La eficiencia de las lámparas incandescentes alcanza su valor máximo del 15% a una temperatura de aproximadamente 3400 K. A temperaturas prácticamente alcanzables de 2700 K, la eficiencia es del 5%.

A medida que aumenta la temperatura, aumenta la eficiencia de la lámpara incandescente, pero su durabilidad se reduce significativamente. A una temperatura de filamento de 2700 K, la vida útil de la lámpara es de aproximadamente 1000 horas, a 3400 K, solo unas pocas horas. Cuando el voltaje aumenta en un 20%, el brillo se duplica. Al mismo tiempo, la vida útil se reduce en un 95%.

Reduciendo el voltaje a la mitad (por ejemplo, con una conexión en serie), aunque reduce la eficiencia, pero aumenta la vida útil en casi mil veces. Este efecto se usa a menudo cuando es necesario proporcionar una iluminación de reserva confiable sin requisitos especiales de brillo, por ejemplo, en escaleras.

La vida útil limitada de una lámpara incandescente se debe en menor medida a la evaporación del material del filamento durante el funcionamiento, y en mayor medida a las inhomogeneidades que surgen en el filamento. La evaporación desigual del material del filamento conduce a la aparición de áreas adelgazadas con mayor resistencia eléctrica, lo que a su vez conduce a un calentamiento y evaporación aún mayores del material en tales lugares. Cuando una de estas constricciones se vuelve tan delgada que el material del filamento se derrite o se evapora por completo en este punto, la corriente se interrumpe y la lámpara falla.

Lámparas halógenas

La adición de halógenos de bromo o yodo al gas tampón aumenta la vida útil de la lámpara a 2000-4000 horas. Al mismo tiempo, la temperatura de funcionamiento es de aproximadamente 3000 K. La eficiencia de las lámparas halógenas alcanza los 28 lm / W.

El yodo (junto con el oxígeno residual) entra en un compuesto químico con los átomos de tungsteno evaporados. Este proceso es reversible: a altas temperaturas, el compuesto se descompone en sus sustancias constituyentes. Los átomos de tungsteno se liberan de esta manera en la propia espiral o cerca de ella.

La adición de halógenos evita la deposición de tungsteno sobre el vidrio, siempre que la temperatura del vidrio sea superior a 250 ° C. Debido a la ausencia de ennegrecimiento de la bombilla, las lámparas halógenas se pueden producir de forma muy compacta. El pequeño volumen del matraz permite, por un lado, utilizar una presión de trabajo más alta (que de nuevo conduce a una disminución en la tasa de evaporación del hilo) y, por otro lado, sin un aumento significativo en el costo, para Llene el matraz con gases inertes pesados, lo que conduce a una disminución de las pérdidas de energía debido a la conductividad térmica. Todo esto alarga la vida de las lámparas halógenas y aumenta su eficiencia.

Debido a la alta temperatura de la bombilla, cualquier contaminación de la superficie (por ejemplo, huellas dactilares) se quemará rápidamente durante el funcionamiento, dejando ennegrecimiento. Esto conduce a aumentos locales de la temperatura del matraz, lo que puede provocar su destrucción. También debido a la alta temperatura, los matraces están hechos de cuarzo.

Una nueva dirección en el desarrollo de lámparas es la llamada. Lámparas halógenas IRC (IRC significa revestimiento infrarrojo). Se aplica un recubrimiento especial a las bombillas de tales lámparas, que permite que la luz visible pase, pero retiene la radiación infrarroja (térmica) y la refleja de regreso a la espiral. Esto reduce la pérdida de calor y, como resultado, aumenta la eficiencia de la lámpara. Según OSRAM, el consumo de energía se reduce en un 45% y la vida útil se duplica (en comparación con una lámpara halógena convencional).

Aunque las lámparas halógenas IRC no alcanzan la eficiencia de las lámparas fluorescentes, su ventaja es que pueden usarse como reemplazo directo de las lámparas halógenas convencionales.

Lámparas especiales

Lámparas de proyección: para proyectores de películas y películas. Tener una mayor temperatura del filamento (y, en consecuencia, un mayor brillo y una vida útil reducida); por lo general, el hilo se coloca de modo que el área brillante forme un rectángulo.

Lámparas de doble filamento para faros de automóviles. Un hilo para la luz de carretera y el otro para la luz de cruce. Además, estas lámparas contienen una pantalla que, en el modo de luz de cruce, corta los rayos que podrían deslumbrar a los conductores que se aproximan.

Historia de la invención

En 1854, un inventor alemán Heinrich Goebel desarrolló la primera bombilla "moderna": filamento de bambú carbonizado en un recipiente evacuado. Durante los siguientes 5 años, desarrolló lo que muchos llaman la primera bombilla práctica.

11 de julio de 1874 ingeniero ruso Alexander Nikolaevich Lodygin recibió una patente numerada 1619 para una lámpara de filamento. Como filamento, utilizó una varilla de carbono colocada en un recipiente evacuado.

Inventor inglés Joseph Wilson Swann recibió una patente británica para una lámpara de filamento de carbono en 1878. En sus lámparas, el filamento estaba en una atmósfera de oxígeno enrarecida, lo que permitió obtener una luz muy brillante.

En la segunda mitad de la década de 1870, un inventor estadounidense Thomas Edison Realiza trabajos de investigación en los que prueba varios metales como hilo conductor. Al final, vuelve a la fibra de carbono y crea una bombilla con una vida útil de 40 horas. A pesar de su corta vida útil, sus bombillas están reemplazando la iluminación de gas utilizada hasta entonces.

En la década de 1890, Lodygin inventa varios tipos de lámparas con filamentos metálicos.

En 1906, Lodygin vendió una patente para un filamento de tungsteno a General Electric. Debido al alto costo del tungsteno, la patente tiene un uso limitado.

En 1910 g. William David Coolidge inventa un método mejorado para la producción de filamento de tungsteno. Posteriormente, el filamento de tungsteno desplaza todos los demás tipos de filamentos.

El problema restante con la evaporación rápida de un filamento en el vacío fue resuelto por un científico estadounidense Irving Langmuir, quien, habiendo trabajado en la empresa desde 1909 Energia General, se le ocurrió la idea de llenar las bombillas de las lámparas con un gas inerte, lo que aumentó significativamente la vida útil de la lámpara.