ЛАМПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, источники света, применяемые для осветительных, сигнальных и специальных целей, работающие на принципе использования энергии электрического тока. Лампы электрические разделяются на три основные группы: лампы накаливания, электродосветные и газосветные.
Лампы накаливания. Излучение света лампами накаливания происходит благодаря нагреванию твердых проводников из тугоплавких материалов до температуры яркого свечения. Проводники в большинстве случаев имеют форму тонких нитей, нагревающихся электротоком в вакууме (см.) или в атмосфере инертного газа.
Из законов теплового излучения известно, что яркость раскаленного тела интенсивно возрастает вместе с увеличением его температуры. Вместе с этим изменяется цвет излучения от красно-желтого до белого. Изменение распределения энергии по спектру при этом сопровождается увеличением световой отдачи излучающего тела.
Рис. 1. Световая отдача для различных тел при разных температурах. Отношение количества энергии, испускаемой в видимой части спектра, к остальной, испускаемой в невидимой части, зависит, кроме температуры тела, и от его природы. Изменение световой отдачи при различных температурах для различных материалов приведено на рис. 1. Из приведенной диаграммы видно, что для вольфрама, даже при температуре его плавления, можно получить лишь ок. 50 люменов (см.) на 1 W. Из соображений механической прочности нити и уменьшения температурного распыления вещества рабочая температура реальных нитей выбирается в пределах 2.400—3.000° К (по абсолютной шкале), соответственно чему изменяется и световая отдача лампы. В связи с этим усовершенствование ламп накаливания было тесно связано с изысканием материалов, обладающих возможно высокой температурой плавления и пригодных для изготовления нитей накала. Необходимость тонких и длинных нитей накала вытекает здесь из закона Джоуля, управляющего нагреванием проводников электрическим током. В связи с тем, что большинство материалов при высокой температуре легко соединяется с кислородом воздуха и другими химически активными газами, нагревание нитей необходимо производить в баллоне, откачанном до высог кого вакуума или наполненном инертным газом. Кроме того, наполнение колбы инертным газом дает возможность уменьшить термическое распыление (испарение) вещества нити, сопровождаемое уменьшением ее диаметра и увеличением поглощения света стеклянным баллоном (вследствие осаждения на его стенках налета распыленного вещества). Важнейший фактор работы тела накала — его температура — выбирается в зависимости от термических свойств его материала (точка плавления), состояния окружающей среды (вакуум или инертный газ), размеров тела накала и его конструкции. Размеры тела накала — его диаметр и длина — зависят при данном материале от мощности, потребляемой лампой, действующего рабочего напряжения и конструкции. При разработке конструкции тела накала необходимо обеспечить наименьшие потери тепловой энергии при работе, наибольшую механическую устойчивость тела накала в отношении его излома или провисания (винтообразная нить) и, в некоторых случаях, также наибольшую концентрацию при его размещении в баллоне (лампы для проекционных целей). — Важнейшие этапы усовершенствования лампы накаливания характеризуются следующими открытиями и изобретениями: 1801 — опыты с накаливанием проводников электротоком; 1854 — первая практически пригодная лампа с угольной нитью из волокон бамбука (Гебель, Америка); 1873 — первое применение построенных Лодыгиным ламп накаливания с угольным стержнем для освещения Петербургского адмиралтейства; 1877 — изобретение Яблочковым лампы накаливания с каолиновым стержнем; 1879 — построение лампы с угольной нитью Эдисона; 1898—1903 — изготовление ламп с металлической нитью из осмия, циркония и тантала; 1903 — изготовление вольфрамовой нити методом замещения; 1906—1909 — получение тянутой вольфрамовой нити фирмами «Дженерал электрик компани» (G. Е. С., США) и «Всеобщая компания электричества» (А. Е. G., Германия); 1912—13 — построение Лангмюром лампы с газовым наполнением и введение им в практику винтообразного (спирального) тела накала; 1934 — выпуск ламп с двойной спиралью (биспиральная лампа); 1936 — лампы с наполнением криптон-ксеноновой смесью.
По сравнению с другими источниками света лампа накаливания имеет следующие преимущества: а) большую делимость светового потока, позволяющую выполнять отдельные лампы в единицах любой световой мощности — от долей свечи до сотен тысяч свечей; б) возможность получения желаемого распределения светового потока в пространстве простым изменением конфигурации тела накала; в) лампа имеет сплошной спектр с цветностью, тем более приближающейся к цветности света солнца, чем выше температура тела накала; г) световая экономичность лампы, по сравнению с другими температурными источниками света, достаточно велика и уступает лишь экономичности газосветных и электродосветных ламп; д) срок службы лампы, в зависимости от принятой световой отдачи и типа лампы, может быть установлен в желаемых пределах — от сотен до тысячи часов и более; е) благодаря своей простоте и безопасности лампа может быть применяема в самых разнообразных областях осветительной техники; ж) лампа может быть изготовлена для любых практически применяемых напряжений осветительных сетей; включается в сеть непосредственно, без всяких добавочных приспособлений и устройств; может работать на постоянном и переменном токе.
В зависимости от материала, из к-рого изготовлено тело накала, лампы разделяются на следующие категории: лампы с угольной нитью (угольные лампы) изготовляются в настоящее время в редких случаях для специальных целей. Полезный срок службы угольной лампы от 360 до 800 час., в зависимости от световой отдачи и величины лампы. Рабочая температура нити при световой отдаче 3,3 лм/W — 2.150° К, яркость — 55 стильб (св/см²). Повышению температуры нити и световой отдачи лампы препятствует характерное для угля сильное распыление нити. Это распыление можно уменьшить за счет специальной обработки нити в электрических печах при температуре 3.000—3.300° (металлизированная угольная нить). В этом случае световая отдача лампы может быть повышена до 4,2 лм/W при сроке службы ок. 600 час. — Лампы с осмиевой, цирконовой и танталовой нитью предшествовали современным вольфрамовым лампам. Световая отдача этих ламп — около 6,0 лм/W, при полезном сроке службы 800—1.000 час. Лампы с вольфрамовой нитью (вольфрамовые лампы). Из всех известных до наст. времени металлов вольфрам обладает наивысшей температурой плавления — 3.663° К, при которой световая отдача его достигает около 50 лм/W. Для сохранения достаточной механической прочности рабочая температура вольфрамовой нити, в зависимости от рода и конструкции лампы, устанавливается в 2.400—3.000° К для стандартных ламп до 1.000 W и доходит до 3.400° К в лампах специальных типов. Технологические свойства вольфрама позволяют изготовлять из него тончайшие нити методами массового производства. Современный метод производства состоит в обработке металлического вольфрама ковкой и волочением через тонкие алмазные отверстия. Таким способом получаются тонкие, длинные и прочные нити любого диаметра — до 0,01 мм. В зависимости от среды, в которой происходит накал нити, современные вольфрамовые лампы разделяются на 2 категории: а) пустотные, или вакуумные, и б) газонаполненные. Пустотные лампы имеют меньшую световую отдачу, изготовляются малой мощности, до 40 W, и применяются для местного освещения и специальных целей. Газонаполненные лампы изготовляются большой мощности, выше 40 W, и малой — специальные, требующие повышенной световой отдачи (например автомобильные, для кинопередвижек, проекций и т. п.). Для наполнения ламп применяются инертные газы: азот, аргон, криптон и ксенон, а также их смеси. Наибольшее применение в наст. время находит аргон в виду меньшей его теплопроводности, по сравнению с азотом, и относительной дешевизны, по сравнению с криптоном и ксеноном.
По конструкции тела накала лампы накаливания делятся на а) лампы с прямой (зигзагообразной) нитью и б) лампы с винтообразной (спиральной) нитью. Прямолинейная нить применялась ранее в пустотных лампах. Спиральная нить, дающая большую концентрацию излучающей поверхности, позволяет уменьшить тепловые потери в держателях и потери на теплоотдачу в газовой среде. При одной и той же температуре спиральная нить имеет по сравнению с прямой также меньшее распыление. В настоящее время для газонаполненных ламп применяются также нити, свитые в виде двойной спирали (биспиральные нити), к-рые обладают указанным выше свойством спиральной нити в бблыпей степени. — Для общего и местного освещения применяются лампы накаливания на 110, 120, 127 и 220 V, для подвижного состава железных дорог — лампы на 50 V и для автомобильного транспорта — лампы на 6, 8, 12 V. Шкала мощностей световых потоков ламп накаливания, а также световые отдачи для различных типов ламп устанавливаются соответствующими общесоюзными стандартами. В ОСТ на лампы приведены также другие их характеристики и правила приемки (см., например, ОСТ 5154). Стандартные лампы для общего освещения выполняются для указанных выше напряжений следующих мощностей: 15, 25, 40 W — пустотные лампы; 60, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 750 и 1.000 W — газонаполненные лампы. Световая отдача пустотных ламп низкого напряжения (110, 120, 127 V) изменяется от 8,25 до 9,5 лм/W. Для высокого напряжения (220 V) пустотные лампы изготовляются на 25 и 40 W при световой отдаче 7,65 и 8,4 лм/W. В лампах с газовым наполнением (аргон) световая отдача при низком напряжении — 10,75—19,00 лм/W и при высоком напряжении — 9,00—17,20 лм/W, в зависимости от мощности лампы. Средний срок службы ламп установлен в 1.000 час.
Электродосветные лампы. Повышение температуры излучающего тела и увеличение световой отдачи источника света может быть достигнуто при использовании явления вольтовой дуги, на к-ром основана работа электродосветных ламп. Они работают на принципе нагревания концов электродов, состоящих из тугоплавких материалов, при прохождении электрического тока через газовый промежуток, разделяющий электроды (вольтова дуга). Излучение света в электродосветных лампах в большинстве случаев смешанное — температурное и люминесцирующее (см. Люминесценция), с преобладанием первого. Классификацию и свойства электродосветных ламп — см. Вольтова дуга, Дуговые лампы, Источники света.
Газосветные лампы. Работают на принципе свечения газов или паров металлов при прохождении через их среду электрического тока. 
Рис. 2. Распределение светящихся частей и падение напряжения вдоль светящейся трубки с холодным катодом. В отличие от источников света, основанных на температурном излучении, газосветные лампы имеют спектр, состоящий из отдельных линий и полос. Распределение линий и полос по спектру зависит от природы газа или пара, его состояния, а также от вида разряда (тлеющий, дуговой, искровой) и от расположения наблюдаемого участка свечения относительно электродов (катодное свечение, положительный столб). Светящийся разряд в трубках с разреженными газами может быть разделен на три основные части: а) свечение катода, б) отрицательное свечение и в) свечение положительного столба. Распределение светящихся частей и падение напряжения вдоль светящейся трубки с холодным катодом приведено на рис. 2. Цветность света, излучаемого газосветной лампой, зависит от рода светящегося газа и части свечения; для различных газов и паров характерны следующие цвета излучения:
| Род газа или пара |
Цвет излучения | |
|---|---|---|
| отрицательное свечение |
положительное свечение | |
| Синий | Светложелтый | |
| Синевато-голубой | Светлоголубой | |
| или темнокрас- ный | ||
| Серовато-белый | Фиолетово-крас- | |
| ный | ||
| Оранжево-крас- | Красный | |
| ный | ||
| Зеленовато-белый | Белый | |
| Зеленый | Зеленый | |
| Зелено-желтый | Желтый | |
| Зеленовато-белый | Зеленовато-белый | |
| Зеленовато-белый | Голубовато-белый | |
| Голубовато-белый | Голубовато-белый | |
При подборе соответствующих газов или паров
Рис. 3. Распределение энергии по спектру при различных способах получения света. металлов можно принципиально получить излучение энергии в любой части спектра и, т. о., значительно повысить излучение в данной области. За счет этого может быть повышена и общая световая отдача источника света. На рис. 3 приведены кривые распределения энергии по спектру при различных способах получения света: температурном излучении вольфрама — А, излучении газосветных трубок с парами ртути и натрия — Б и В и излучении светляка — Г. Из диаграммы легко видеть, что в тех случаях, когда бо́льшая часть излучения лежит в видимой части спектра (светляк, пары натрия), коэффициент полезного действия и световая отдача излучения могут достигнуть значительных величин. — Электрический режим газосветной лампы — напряжение на ее электродах и сила тока — зависит от способа получения потока электронов с катода, от рода тока, напряжения сети и величины последовательно включаемых балластных сопротивлений (индуктивных или омических). Конструкция всякой газосветной лампы характеризуется следующими главными ее частями: а) стеклянным баллоном в виде трубки или колбы; б) электродами — катодом и анодом, — из к-рых катод может быть холодным или раскаленным; в) наполняющей газосветную лампу средой — газом или парами металла — при соответствующем давлении. В лампах с холодным катодом (тлеющий разряд), вследствие большого катодного падения, напряжение на зажимах лампы обыкновенно велико и достигает в некоторых случаях (рекламные трубки с неоном, свет Мура) нескольких тысяч V. Вместе с тем такие лампы работают при малой силе тока, измеряющейся десятками миллиампер. В лампах с раскаленным катодом (дуговой разряд) напряжение на зажимах мало́ (десятки вольт), но сила тока велика (амперы и десятки ампер). Напряжение зажигания газосветной лампы обыкновенно больше напряжения при ее работе. В связи с тем, что газовый разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику (уменьшение напряжения на зажимах лампы по мере увеличения силы тока), каждая газосветная лампа включается в сеть с последовательно включенным омическим или индуктивным сопротивлением, ограничивающим силу тока и стабилизующим газовый разряд.
Главными достоинствами газосветных ламп является их высокая световая отдача, в некоторых случаях в несколько раз превышающая световую отдачу ламп накаливания, и их большой срок службы. Недостатки в применении для общего освещения: несплошной спектр, ярко выраженная цветность света,
Рис. 4.
Рис. 5.Рис. 4. Ртутная лампа высокого давления: 1 — цоколь Голиаф; 2 — сопротивление; 3 — ввод и поддерживающ. провод; 4 — поддерживающ. лента; 5 — электрод; 6 — электрод; 7 — наружная колба; 8 — разрядная трубка. — Рис. 5. Малая ртутная лампа сверхвысокого давления: 1 — цоколь; 2 — наружная колба; 3 — поддерживающие вводы; 4 — электрод; 5 — камера электрода; 6 — разрядная трубка; 7 — поддержка.стробоскопический эффект при работе на переменном токе и необходимость включительных устройств (трансформаторы, дроссели и реостаты).
Ртутные лампы. Одним из наиболее распространенных в наст. время газосветных источников света является ртутная лампа. В зависимости от давления ртутных паров во время работы ртутные лампы разделяются на следующие категории: а) ртутные лампы низкого давления для постоянного и переменного тока. Электроды лампы: катод — жидкая ртуть, анод — железо или уголь. Лампы имеют трубчатую форму и строятся на мощность 200—400 W при напряжении 100—125 V. Световая отдача ламп — 12,0—17,0 лм/W. При работе на переменном токе лампы включаются по схеме выпрямителя. Цвет излучаемого света — сине-зеленый. Излучение лампы богато ультрафиолетовыми лучами, интенсивность которых зависит также от коэффициента пропускания этих лучей стеклом ртутной лампы. Лампа применяется для фотографических и светокопировальных целей и, в некоторых случаях, для освещения (в мастерских и помещениях для точных работ, не требующих правильного различения цветов), б) Ртутные лампы высокого давления. Изготовляются из кварца и стекла. Электродами могут служить: жидкая ртуть, (кварцевая лампа Баха) или вольфрамовые электроды, покрытые оксидом; в последнем случае количество ртути в лампе строго дозировано. в) Лампы из кварца- — см. Кварцевая лампа, г) Лампы из стекла; например советская лампа ИГАР (интенсивного горения аргоно-ртутная) — имеет вид короткой трубки, заключенной в некоторых случаях в стеклянную рубашку для уменьшения потерь на охлаждение окружающим воздухом. В ней два главных электрода, покрытых окислами металлов бария, стронция и кальция (оксидные электроды), и один вспомогательный электрод, служащий для облегчения зажигания трубки. Лампа наполнена аргоном при давлении в несколько мм ртутного столба и содержит небольшое, строго дозированное количество ртути, превращающейся в пары при работе лампы. Она включается в сеть переменного тока 220 V последовательно с дросселем. Между вспомогательным электродом и главным электродом, находящимся на противоположном конце трубки, включается конденсатор или омическое сопротивление в несколько тысяч ом. В начале зажигания разряд возникает в аргоне; затем, по мере испарения ртути, пространство трубки заполняется ртутными парами, вследствие чего изменяются как электрические характеристики, так и характер свечения разряда. Начальное бледное свечение аргона и разреженных ртутных паров, заполняющее всю трубку, по мере увеличения давления ртутных паров сменяется более ярким свечением, имеющим вид шнура зеленовато-белого цвета, расположенного в центральной части трубки. Сила тока в начале зажигания увеличивается при одновременном уменьшении напряжения на зажимах трубки; по мере стабилизации температуры сила тока уменьшается до нормального рабочего значения, и соответственно повышается напряжение. Процесс разжигания трубки происходит в течение 6—10 минут. Основные характеристики аргоно-ртутных ламп: мощность — 150—500 W, рабочая сила тока — 1, 8—5, 0* А, напряжение на зажимах трубки — 100—130 V, световая отдача — 30—40 лм/W. Конструкция ртутной лампы высокого давления представлена на рисунке 4. В описанной выше лампе рабочее давление паров ртути составляет ок. 1 атм. При дальнейшем повышении давления и увеличении напряжения на зажимах можно еще больше увеличить световую отдачу лампы. Так, в кварцевых лампах сверхвысокого давления (240—300 атм.) удалось достигнуть световой отдачи в 90 лм/W и яркости в 45.000 стильб. Конструкция малой лампы сверхвысокого давления (около 40 атм.) представлена на рис. 5. Большие яркости ртутных ламп сверхвысокого давления могут быть с большой выгодой использованы в прожекторной технике.
Натриевые лампы. При прохождении электрического тока через пары натрия последний излучает желтый свет. Натриевая лампа переменного тока состоит из стеклянного баллона с двумя оксидными электродами, нагреваемыми электрическим током. Лампа постоянного тока имеет один нагреваемый электрод (катод) и анод, выполненный из вольфрама или никеля. Баллон делается из стекла специального состава, т. к. при работе лампы обыкновенное стекло под действием паров натрия желтеет и делается мало прозрачным. В виду того, что натрий при комнатной температуре находится в. твердом состоянии, для превращения его в пары с необходимым давлением (ок. 0,001 мм ртутного столба) температура лампы должна быть повышена до 240—280°. Поэтому для зажигания разряда в начале горения, а также для улучшения условий возбуждения натрия лампа наполняется инертным газом (аргоном или неоном) при давлении в несколько мм ртутного столба. При прохождении электрич. тока вначале светится своим характерным светом наполняющий газ, и, лишь по мере повышения температуры трубки и превращения натрия в парообразное состояние, трубка начинает излучать желтый свет. Для уменьшения тепловых потерь и поддержания температуры трубки на необходимом уровне разрядная труб. помещается в вакуумную рубашку. Натриевые лампы постоянного тока имеют следующие электрические и световые характеристики: мощность — ок. 100 W, напряжение на лампе — 13 V, сила тока — 5 А, напряжение накала катода — ок. 2 V и сила тока — 9,6 А, световая отдача — 50—60 лм/W. Лампы переменного тока имеют мощность от 70 W до 150 W, напряжение — от 50 до 170 V и световую отдачу — 50—70 лм/W. В лампах специальных конструкций световая отдача может быть доведена до 120—150 лм/W. Подобно другим источникам света газового разряда, в цепь натриевой лампы включается добавочное сопротивление. Благодаря своей высокой экономичности и цветности, способствующей увеличению остроты зрения, натриевые лампы нашли широкое применение для освещения шоссейных дорог. — Кроме ртутных и натриевых ламп, для спектроскопических исследований изготовляются также лампы с парами других металлов: кадмия, таллия, цинка, рубидия, цезия, калия и железа.
Неоновые трубки дугового разряда. Из перманентных газов в газосветных трубках низкого напряжения (120—200 V) для сигнальных и рекламных целей применяется неон. Трубки могут изготовляться для постоянного и переменного тока с одним или двумя раскаленными электродами. Световая отдача таких трубок около 15 лм/W. — Наличие раскаленного катода в вышеописанных типах газосветных ламп дало возможность использовать дуговой разряд, характеризующийся низким рабочим напряжением и относительно большой силой тока. В нек-рых случаях, при наличии холодного катода, используется свечение положительного столба при тлеющем разряде.
Трубки тлеющего разряда с использованием свечения положительного столба, в зависимости от желаемой цветности излучения, могут быть наполняемы различными газами. Неоновые трубки тлеющего разряда высокого напряжения (тысячи вольт) выполняются, в зависимости от назначения, различной длины и формы: прямолинейные, в виде букв, знаков и фигур. В зависимости от общей длины трубок, включенных в цепь, рабочее напряжение бывает от тысячи до нескольких тысяч вольт. В качестве балластного сопротивления на переменном токе в цепь трубки включаются дроссели или пользуются специальными трансформаторами с большим магнитным рассеянием. Сила тока трубок, в зависимости от их диаметра, изменяется от 10 до 100 миллиампер; световая отдача трубок — 8—10 лм/W. При использовании наряду с неоном аргона, паров ртути, а также употребляя для трубок цветное стекло, можно получить различные цвета свечения, широко применяемые для декоративных и рекламных целей. — Из трубок высокого напряжения необходимо особо отметить трубки с углекислотой, дающие свет, по цветности близкий к дневному. Конструктивной особенностью таких трубок является наличие специального клапана для пополнения углекислоты, поглощаемой продуктами распыления электродов в процессе разряда. Трубки делаются различных диаметров и длин с рабочим напряжением до 25.000 V. Световая отдача трубок Мура — около 4 лм/W.
Лампы с использованием отрицательного свечения тлеющего разряда. Тлеющий разряд в неоне и др. газах может быть применен в т. н. тлеющих лампах, использующих свечение катода. Эти лампы имеют два близко расположенных один к другому электрода, вырезанных из тонкой жести, которые в процессе работы лампы покрываются характерным свечением данного газа. Электроды заключаются в обыкновенную колбу, наполняемую после откачки неоном или аргоном. Такие лампы выполняют для напряжения
Рис. 6. Светоотдача в лм/W электрических источников света: 1 — угольная лампа накаливания; 2 — трубка Мура с CO₂ и трубка с
гелием; 3 — трубка Мура с N₂ и трубка высокого напряжения с неоном; 4 — пустотная лампа накаливания; 5 — вольфрамо-ртутная дуга (солнечная лампа); 6 — трубка с неоном низкого напряжения с омическим сопротивлением; 7 — трубка с неоном низкого напряжения с индуктивным сопротивлением; 8 — ртутная дуга низкого давления; 9 — газополная лампа в 500 W; 10 — ртутная дуга в кварце (жидкий катод); 11 — проекционная лампа накаливания; 12 — аргоно-ртутная лампа высокого давления; 13 — желтая пламенная дуга; 14 — титановая дуга; 15 — Na-дуга. 120—220 V; в зависимости от размеров электродов они имеют силу тока от 3 до 25 миллиампер, при мощности от 0,3 до 5 W. Малое потребление мощности и хорошая различимость света неона делают эти лампы весьма пригодными для различных специальных целей, как-то: для волномеров, телевидения, указателей напряжения и для сигнализационных целей. Сравнительная диаграмма световых отдач различных электрических ламп приведена на рисунке 6.
Дальнейшее развитие газосветных источников света характеризуется следующими двумя направлениями: увеличение световой отдачи существующих типов ламп и создание источников для получения искусственного дневного света. Одним из наиболее новых и многообещающих способов решения этих задач может быть использование фотолюминесценции, заключающейся в том, что на поверхность газосветной трубки или включающей ее арматуры наносится слой вещества, светящегося под действием невидимых ультрафиолетовых лучей. Выбор соответствующей комбинации источника первичного излучения и фотолюминесцирующего вещества дает возможность значительного прогресса в обоих указанных направлениях; современная техника уже располагает первыми образцами таких источников света. Успешные работы в этом направлении ведутся (1937) и в Советском Союзе.
Лит.: Сиротинский Л. И. и Федоров Б. Ф., Основы техники электрического освещения, М.—Л., 1934; Лакс Е., Пирани М. и Ромне Р., Современные источники света, [пер. с нем.], «Успехи Физических наук», [Л.], 1936, т. XVI, вып. 1, [дана лит.]; Jolley L. В. W., Waldram J. М., Wilson G. Н., The theory and design of illuminating engineering equipment, L., 1930; Handbuch der Physik, hrsg. v. H. Geiger u. K. Scheel, Bd IX, B., 1926.