Как найти температуру спирали лампы

Известно, что ток, проходящий через электрическую лампу в момент включения, в двенадцать раз превышает рабочий ток. Температура лампы до включения 25 градусов Цельсия. Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 5,1×10^-3град^-1
Необходимо определить температуру вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем состоянии.

Дано: n=12; t^°₁=25^°C; α=5,1×10^-3град^-1
Найти: t^°₂-?

Решение
Применив закон Ома, запишем формулы для тока включения I₁ и рабочего тока I₂
, а ,
где U – напряжение на лампе; R₁ и R₂ — сопротивление нити накаливания лампы, соответственно при температурах t^°₁ и t^°₂.

Находим отношение данных токов:

Для определения R₁ и R₂ воспользуемся следующей формулой:

, тогда
,
,
.

Так как , то .

Получаем формулу для определения рабочей температуры нити накаливания лампы

Ответ: в рассматриваемом примере температура вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем режиме равна 2157 градусов Цельсия.

В настоящее время используется большое количество осветительных приборов. Широко внедряются энергосберегающие светильники. Несмотря на их широкий выбор, многие до сих пор применяют классические лампы накаливания различных мощностей. Простая конструкция лампы (колба, спираль, цоколь) определяет её небольшую стоимость.

Основные характеристики ЛН

В лампе накаливания преобразуется электрическая энергия, переходящая через вольфрамовую спираль в световую, тепловую. Большая часть мощности, которую имеет лампа, идет на выделение тепла. При работе происходит повышение температуры нити накаливания, вызванное её сопротивлением току. Высокая температура вольфрамовой нити (2600–3000 градусов Цельсия) приводит к уменьшению срока эксплуатации прибора. Для снижения времени перегрева вольфрамовую спираль размещают в стеклянной вакуумной колбе.

Емкость более совершенной галогенной лампы наполняется инертным газом. Для измерения, определения температуры нити берется температура прибора до включения в сеть, учитывается тепловой коэффициент сопротивления вольфрама, находится отношение тока включения к рабочему.

Полученная формула дает возможность определить уровень накаливания вольфрамовой нити во время работы. Спираль обладает высоким сопротивлением, поэтому быстро нагревается, передавая тепло колбе, цоколю.

Использование ЛН основано на их преимуществах перед другими типами светильников:

• свет появляется сразу после включения в сеть;
• небольшие размеры;
• низкая стоимость;
• экологически чистое изделие;
• стойкость к влажности окружающей среды.

Одновременно их использование сопровождается недостатками:

1. яркий свет, требующий в ряде случаев применения защитных очков;
2. нагретая колба, которая может взорваться при попадании на её поверхность воды. При контакте с обнаженным участком кожи возможен ожог;
3. при эксплуатации происходит большое потребление энергии;
4. не подлежат ремонту;
5. быстро заканчивается срок службы лампы из-за повреждения спирали при частом включении-выключении.

Тепловое состояние различных видов осветительных приборов

Зависит от потребляемой мощности источника освещения, времени использования, точек замеров (колба, патрон, основание). Температура лампы накаливания в 25 ватт составляет 100, 75-ватной — 250, колбы фотолампы – 550 оС.

Основные показатели иных моделей светильников

Широкое распространение имеют люминесцентные, представляющие собой трубкообразную герметическую колбу, наполненную парами ртути, инертным газом. Электрический заряд создает в парах ртути ультрафиолетовое излучение, преобразующееся при помощи люминофора в видимый свет.

Энергосберегающая характеристика позволяет применять 5-В люминесцентную вместо 60-ватовой накаливания. Максимальный нагрев у основания колбы 15-ватных люминесцентных ламп составляет 139, по всей поверхности – чуть выше 70 оС. Недостатком является постоянное, чуть заметное мерцание, негативно влияющее на органы зрения человека.

Светодиодные лампы выпускаются в различных вариантах, имеют низкий нагрев из-за алюминиевого корпуса, теплорассеивающей пластмассы. Температура светодиодных ламп составляет около 65 оС, что выделяет их среди ламп накаливания и люминесцентных. Кроме того, энергопотребление такого источника освещения на порядок меньше лампы накаливания, на 35 % ниже люминесцентной. Работа светодиодных светильников при низких температурах не отражается на качестве освещения. Это позволяет в различных климатах использовать светодиодные лампы как оптимальные. Круглогодичный режим работы негативно влияет на интенсивность распределения световой энергии. Время жизни лампы зависит от качества сборки, условий её эксплуатации, неисправности электропроводки, светильника. Светодиодная лампа греется при работе – около 60 % электрического тока рассеивается в виде тепла, которое отводится радиатором из материала с высокой теплопроводностью. Отсутствие большого нагрева лампы Gx53 позволяет её устанавливать на подвесных потолках без опасения возгорания.

Преимущества эксплуатации

Особенностями применения светодиодных устройств являются:

• прочная конструкция. Внутренности пробора защищены прочным металлическим корпусом, противоударным термопластовым стеклом;
• экологическая чистота. Прибор не содержит ртути, иных вредных веществ. Полностью безопасен для человека;
• экономическая выгода. Применение позволяет экономить на электропотреблении, регулярном обслуживании, частой замене вышедших из строя светильников. Могут при непрерывной работе безаварийно прослужить около 100 000 часов;
• оптическая система обеспечивает равномерность освещения, не создает полос, пульсаций. Осветительный прибор не реагирует на частые перепады напряжения, возникающую вибрацию. Светодиодные с цоколем Е27 служат для замены ЛН. Чтобы узнать, какие светодиодные лампы обладают повышенной мощностью, необходимо использовать таблицу соответствия мощностей источников света (200 Вт в лампе накаливания соответствуют 25–30 Вт светодиодной).

Недостатком устройств является их высокая стоимость. При длительном использовании положительные качества приборов дают ощутимую финансовую экономию.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили светодиоды – полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световой и создающие оптическое излучение. Температура светодиодов зависит от управляющего тока, качества теплоотвода, нагретости окружающей среды. Практически температура приборов не превышает 60 оС.

Энергосберегающие источники света

Широкую популярность при монтаже освещения приобретают гибкие ленты с размещенными печатными платами, светодиодами. Источником является электрический ток 12 вольт напряжения. Применение более высокого вольтажа (24 В) позволяет уменьшить температуру нагрева, увеличить длину запитки использованной ленты. Температура светодиодной ленты не превышает +45 градусов Цельсия. Рабочая температура -40…80 оС не отражается негативно на её работе. Низкое электропотребление позволяет считать ленту прекрасным заменителем люминесцентных ламп. Схема подключения простая: анод соединяется с плюсом источника тока, катод – с минусом. При неправильном подключении схема не работает, требует переключения. Электрическая энергия переходит на светодиоды и не должна превышать 80 % указанной мощности блока питания.

Эксплуатировать ленточное освещение можно как рекламную подсветку, для создания разноцветного освещения фасадов зданий, витрин магазинов. В кристалле светодиода появляются примеси, с которыми связана яркость свечения. Через некоторое время она снижается. Срок службы ленты заканчивается, когда свечение поверхности уменьшается на треть от первоначальной, и не зависит от времени, указанного в технической документации. Практика показывает, что выдерживает светодиодная лента около 10 000 часов эксплуатации. Её качество освещения изменяется только после четырех лет применения.

Преимущества лент, повышающие их популярность

Современный искусственный источник света имеет преимущества перед другими используемыми световыми светильниками:

1. небольшое потребление электроэнергии;
2. одномоментное с включением зажигание диодов;
3. мизерная теплоотдача;
4. широкий диапазон рабочих температур;
5. высокая светоотдача;
6. большой срок эксплуатации.

Используя характеристики применяемых в настоящее время световых светильников, можно сделать вывод, что наиболее высокая потеря мощности из-за нагрева присуща лампам накаливания. Их использование увеличивает расходы на оплату электроэнергии, на приобретение часто выходящих из строя источников света. Наиболее привлекательными, экономически обоснованными источниками освещения являются энергосберегающие светильники. Для освещения больших площадей перед жилыми корпусами, дорожными трассами, витринами супермаркетов наилучшими являются светодиодные ленты. Их применение дополнительно создает атмосферу праздника, хорошего настроения.

95

Цель
работы:
измерение температуры спирали лампы
накаливания с помощью оптического
пирометра; изучение методов оптической
пирометрии и законов теплового излучения.

1. Введение

Электромагнитное
излучение, испускаемое нагретыми телами,
называется тепловым.
В отличие от других видов излучения,
объединенных под общим название
“люминесценция”, тепловое – это
единственный вид излучения, который
может находиться в термодинамическом
равновесии с излучающим телом.

Рассмотрим
замкнутую полость с непрозрачными
стенками, температура которых
поддерживается постоянной. В этой
полости будет происходить непрерывный
обмен энергией между стенками и
заполняющим полость излучением. Если
распределение энергий между телом и
излучением остается неизменным для
каждой длины волны, то говорят о
термодинамическом равновесии системы
“тело-излучение”. При повышении
температуры тела интенсивность излучения
увеличивается, при понижении –
уменьшается. Поскольку излучение
находится в равновесии со стенками,
можно говорить о температуре не только
стенок, но и о температуре самого
излучения, считая по определению обе
температуры равными. Говорить о
температуре излучения можно и тогда,
когда никаких стенок нет, так как
плотность энергии теплового излучения
однозначно определяет его температуру.
Можно утверждать и обратное – о
температуре излучающего тела можно
судить по температуре его теплового
излучения.

Для
характеристики теплового излучения
вводят следующие понятия:

1.
Спектральная излучательная (испускательная)
способность тела R_,T
численно равна количеству энергии,
излучаемой в единицу времени с единицы
поверхности в единичном интервале
частот (или длин волн)

.

2.
Интегральная излучательная способность
тела R_T
– численно
равна энергии, излучаемой в единицу
времени с единицы поверхности тела во
всем интервале частот (или длин волн).
Очевидно, что
.

3.Поглощательноя
способность тела A_,T
и A_T
– это доля энергии, поглощенной телом
в диапазоне частот от 
до +d
(или во всем интервале частот для A_T).

.

Тело
называется абсолютно
чёрным, если
оно поглощает все падающее на него под
любым углом излучение при любой
температуре, частоте и поляризации. Для
абсолютно чёрного тела A_,T
= 1. Излучательную способность этого
тела будем обозначать через r_,T
и r_T.
Примером чёрного тела в природе является
сажа, чёрный бархат, Солнце. Моделью
абсолютно чёрного тела является выше
описанная полость, в которой сделано
малое отверстие. Излучение, проникшее
внутрь через отверстие, после многократных
отражений практически полностью
поглощается и не может выйти назад. Если
стенки полости поддерживать при
определённой температуре, то из отверстия
выходит собственное излучение, близкое
по спектральному составу к излучению
абсолютно чёрного тела r_,T.

Основные законы равновесного теплового излучения.

1.
Закон Кирхгофа.
Отношение излучательной и поглощательной
способностей любого тела не зависит от
природы этого тела, оно является для
всех тел одной и той же функцией частоты
и температуры, равной излучательной
способности абсолютно чёрного тела:

. (1)

Из
закона Кирхгофа, в частности, следует,
что максимальной излучательной
способностью при данной температуре
обладает чёрное тело, так как
,
а.
Следовательно,.

2.
Закон
Стефана-Больцмана.
Интегральная излучательная способность
абсолютно черного тела пропорциональна
его температуре в четвертой степени:

, (2)

где
– постоянная Стефана-Больцмана.

Для
нечёрного тела этот закон не выполняется.
В этом случае интегральную излучательную
способность можно представить в виде

. (3)

Справедливость
этого утверждения проверяется в данной
работе. В формуле (3) значение n
может оказаться больше 4, что не
противоречит утверждению о том, что
.
Просто при повышении температуры серое
тело стремится “догнать” по
излучательной способности чёрное тело.
Поэтому темп роста интегральной
излучательной способности в некотором
диапазонетемператур
у серого тела выше, чем у чёрного. У
вольфрама, например, при
T

2000 К значение n
приблизительно равно пяти.

3.
Закон смещения Вина. Частота,
соответствующая максимуму излучательной
способности абсолютно черного тела, с
ростом температуры смещается в область
более высоких частот (рис. 1).

,

здесь
–
постоянная Вина.

4.
Формула Планка. Попытка
найти распределение энергии в спектре
чёрного тела, оставаясь в рамках
классической физики, закончилась
неудачей. Интегральная излучательная
способность чёрного тела, полученная
с помощью таких расчетов, обращается в
бесконечность (ультрафиолетовая
катастрофа). Планк выдвинул гипотезу о
том, что электромагнитное излучение
испускается порциями. Минимальная
порция энергии – квант – равна
,
где– частота излучения,– постоянная Планка.

По Планку
излучательная способность абсолютно
чёрного тела имеет вид

. (4)

График
зависимости r_,T
от 
при двух температурах изображен на рис.
1. Этот график хорошо совпадает с
экспериментальной кривой.

Рис. 1

Рис. 2

Для
любой длины волны излучательная
способность нечёрного тела не может
быть больше излучательной способности
чёрного тела при той же температуре.
Сам вид функции R_,T
может сильно отличаться от функции
r_,T.
На рис. 2 показана зависимость излучательной
способность вольфрама R_,T
при T
= 2450 К от длины волны .
Там же, для сравнения, приведена кривая
зависимости r_,T
от 
для чёрного тела при той же температуре.
Отношение R_,T/r_,T
меняется от 0,4 в области 

1 мкм, до 0,2 при 

4 мкм. Чтобы интенсивности излучения
вольфрама и чёрного тела совпали,
например, при длине волны ₁,
нужно нагреть вольфрам, как минимум, на
250 К.

Да, именно так, “сложно о простом”! С точностью до наоборот по сравнению с обычным подходом в большинстве статей канала “просто о сложном”. Впрочем, ничего особо сложного все таки не будет. Да и ничего такого, о чем бы никто не знал, тоже не будет. Просто посмотрим немного внимательнее на банальную лампочку накаливания.

Сегодняшние дети при слове “лампочка”, возможно, представят себе уже светодиодную лампу. Или компактную люминесцентную. Но и лампа накаливания еще не канула в небытие. И в ней можно найти немало интересного. Да и описание физических процессов в лампе накаливания далеко не так просто, как может показаться.

Да, скучное описание обычной лампы накаливания, с которого и начнется статья, нам совершенно необходимо. Все самое интересное последует дальше. Причем будут и формулы, и эксперименты

Все знают, как устроена обычная лампа накаливания

Давайте все таки немного вспомним то, что и так всем известно. Очень кратко. Это нам сегодня еще потребуется. И уже после этого перейдем к электротехнике и физике.

Можно спорить, кто изобрел лампу накаливания. Но, как и большинство знаковых изобретений, современная лампа накаливания является плодом усилий многих ученых и инженеров. Поэтому оставим в стороне споры о том, кто именно был первым, и был ли он единственным, кто работал над изобретением. Мы будем сегодня заниматься только технической стороной.

Источником света в лампе накаливания является нагретая до высокой температуры нить накала. И большая част потребляемой лампой энергии расходуется именно на нагрев нити накала, превращается в тепло. Поэтому и КПД лампы накаливания невысок. За что такие лампы, совершенно справедливо, критикуют.

Именно нить накала была самой сложной частью лампы для изобретателей. Принцип был прост, любое нагретое до высокой температуры тело начинает испускать свет. Но нить накала должна была нагреваться до такой высокой температуры, что она просто сгорала. Эту проблему удалось решить с помощью колбы, из которой был откачан воздух.

А сама нить накала сначала изготавливалась из углерода. Не суть важно, был это именно уголь или “карбонизированное бамбуковое волокно”. Но такая нить не могла быть разогрета до очень высокой температуры, потому и свет таких ламп неярким и скорее оранжевым, чем белым.

Позже нить накала стали изготавливать из тугоплавких сплавов, обычно на основе вольфрама. Это позволило повысить температуру нити накала и сделать свет ламп таким, какой привычен нам сегодня.

Усовершенствования ламп накаливания

Сегодня в колбах ламп накаливания не вакуум, а инертный газ. Это позволяет повысить долговечность лампы, так как нить накала меньше испаряется.

Галогенная лампа заполнена смесью, обычно йода и брома. Их функция заключается переносе осевших на внутреннюю стенку колбы частиц нити накала обратно на нить. Правда тут есть небольшая проблема, частицы с колбы переносятся на более холодные участки нити накала. И температура колбы лампы должна быть выше, чем у обычной лампы накаливания.

В фотографии и кино использовались так называемые перекальные лампы. Это обычные лампы накаливания но их нить накала работала при более высокой температуре. Это снижало долговечность лампы, но делало ее свет более белым.

Температуры нити накала и цветовая температура

Вот теперь мы начинаем переходить к технической стороне вопроса, описательная часть закончена.

Как узнать температуру нити накала? Ведь слова “очень высокая” трудно назвать точным значением температуры. Конечно, температуру можно измерить, но в домашних условиях это очень не просто. Но нам на помощь придет цветовая температура.

Цветовая температура это температура абсолютно черного тела,при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Наша нить накала не является абсолютно черным телом, поэтому определение ее температуры по цветовой температуре будет неточным. Но для наших целей этой точности хватит.

На этой иллюстрации показано, что пламя свечи имеет цветовую температуру 2000 градусов Кельвина. Это не совсем так, большое значение имеет то, из чего свеча сделана. Температура пламени обычно лежит между 1300-1800 К.

Лампа накаливания мощностью 40 Вт (220 В) имеет цветовую температуру примерно 2400 К, а мощностью 100 Вт примерно 2800 К. Галогенные лампы имеют цветовую температуру порядка 3000 К. Перекальные фотолампы, которые я ранее упоминал, порядка 3400 К.

Перевод градусов Кельвина в градусы Цельсия даем нам температуру нити накала примерно от 2000 до 3000 градусов. Теперь действительно видно, что температура нити накала в рабочем состоянии намного превышает температуру воздуха в комнате. И это важный для нас факт.

Второй важный для нас факт не столь очевиден. При включении лампы температура ее нити накала не может возрасти мгновенно. По той простой причине, что количество выделяющего при прохождении тока тепла конечно. И на рост температуры влияет и теплоемкость нити. Поскольку материал нити можно считать почти одинаковым, основной вклад в теплоемкость нити вносит ее масса.

Лампа накаливания это термодинамическая система

Да, это именно так! Не верите? Ну тогда давайте разбираться. И начнем мы с того, что протекающий через нить накала электрический ток приводит к выделению тепла. Да, это тот самый закон Джоуля-Ленца

Прекрасно знакомая всем из школьного курса физики формула. Но давайте посмотрим на нее внимательнее. Ничего не кажется странным? Если время бесконечно, то и выделившееся количество теплоты будет бесконечным. То есть, нить накала будет разогреваться до бесконечной температуры. В полном соответствии с другой формулой

Но бесконечного роста температуры нити накала не происходит. По той причине, что тепло не только выделяется на нити накала, но и рассеивается ей. Через проводники-электроды, через наполняющий колбу лампы газ, через излучение тепла. Так ходит большая часть тепловой тепловой энергии. И лишь небольшая часть уходит в виде света.

Чем выше температура нити накала, тем быстрее тепло уходит в окружающую среду, так растет разница температур. И в какой то момент времени для нити накала устанавливается термодинамическое равновесие. Вот это термодинамическое равновесие и определяет температуру нити накала в рабочем состоянии.

Полные термодинамические уравнения составить не так просто, так как здесь участвуют несколько процессов. Теплопередача через несколько различных тел, лучеиспускание, световое излучение. Но для нас и нет необходимости в построении точной математической модели.

Но давайте составим уравнение для термодинамической системы без потерь тепла, что бы оценить зависимость изменения температуры от тока и времени

Поскольку рабочая температура нити накала значительно выше комнатной, мы можем перейти от ∆T к просто T. Видно, что температура зависит линейно от времени, и имеет квадратичную зависимость от силы тока.

Однако, эта формула не учитывает потери тепла, которые зависят от температуры нити. Поэтому в реальности температура нити не будет линейно зависеть от времени. Зависимость будет примерно такой

При отключении тока через лампу нить накала начинает остывать, так как теплота перестает выделяться. При этом температура нити снижается тоже нелинейно.

Но кроме рассмотренных, в этой термодинамической системе, действует еще несколько факторов. Давайте и их рассмотрим.

Тепловая инерция нити накала

Помните, мы говорили, что температура нити накала не может измениться мгновенно при включении тока через лампу? Теперь мы знаем, почему так происходит. Но давайте посмотрим, как на скорость изменения температуры влияет сама нить накала. При прочих равных условиях.

Мы условились, что будем считать нити накала сделанными из примерно одинакового материала. Это означает, что удельная теплоемкость будет тоже примерно одинакова. Если через разные нити, обладающие одинаковым сопротивлением, протекает одинаковый ток, то чем больше масса нити, тем больше времени потребуется для достижения одинаковой температуры.

Вот это и называется тепловой инерцией нити накала. Более толстая нить будет иметь и большую длину, что бы ее сопротивление оставалось прежним. То есть, ее масса будет больше. И тепловая инерция будет больше.

Нити более мощных ламп изготавливают из проволоки большего диаметра, эти нити более массивные. Поэтому мощные лампы дольше разгораются и дольше гаснут. С точки зрения глаза.

Температурный коэффициент сопротивления

Но ведь и сопротивление нити накала нельзя считать постоянным. С изменением температуры изменяется и сопротивление нити накала. Причем ТКС нити накала положительный. То есть, с ростом температуры растет и ее сопротивление. Причем, с достаточной для наших целей точностью, можно считать, что растет линейно.

Не сомневаюсь, что большинство читателей знают, что сопротивление холодной нити накала лампы гораздо меньше, чем горячей (в рабочем состоянии). Поэтому и включение лампы приводит к броску тока, который превышает номинальный ток лампы.

Лампа накаливания это сложная термодинамическо-электрическая физическая система

И я нисколько не утрирую и не усложняю. Это действительно так, как мы только что сами увидели. При подключении к источнику напряжения, как лампы обычно и подключаются, ток через лампу определяется сопротивлением ее нити накала. Это электрический процесс. Этот ток приводит к выделению на нити тепла и повышению ее температуры. Это термоэлектрический процесс. Повышение температуры нити приводит к росту ее сопротивления. Это термоэлектрический процесс. Рост сопротивления приводит к уменьшению тока через лампу, электрический процесс. Это приводит к уменьшению выделяющегося в нити тепла. И поверх всего протекают термодинамические процессы теплообмена.

Поэтому полная математическая модель лампы накаливания является системой дифференциальных уравнений. И эти уравнения относятся к разным разделам физики.

И простейшие действия с лампой, включение и выключение, при точном рассмотрении всех процессов, оказываются весьма не простыми. И выходят далеко за рамки школьной физики.

Но давайте будем не уравнения составлять, а эксперименты ставить. Это ведь куда интереснее!

Подопытные лампочки

Изначально предполагалось, что в экспериментах будут участвовать четыре лампочки

Однако коммутаторная лампочка преждевременно покинула наш бренный мир.

Измеряем реальное сопротивление трех оставшихся ламп при комнатной температуре:

• Лампа 36 В 120 мА. Сопротивление 39,9 Ом. Расчетный пусковой ток 0.9 А
• Лампа 13 В, мощность или ток неизвестны, от какой-то елочной гирлянды еще времен СССР, примерно конец 70-х годов прошлого века. Реальное сопротивление 20,5 Ом. Расчетный пусковой ток 0,63 А
• Лампа 24 В 3 Вт. Сопротивление 23,2 Ом. Расчетный пусковой ток 1,03 А, рабочий 0,125 А

Уже из первых измерений видно, что пусковой ток (при подаче напряжения на холодную лампу) примерно в 9 раз выше, чем номинальный рабочий ток. Поэтому распространенному утверждению, что пусковой ток лампы накаливания на порядок выше рабочего, соответствует действительности. Разумеется, некоторые отклонения здесь могут быть, например, для перекальных ламп. Но в целом, примерно так и есть.

Эксперименты сначала будут очень простыми. Но простыми мы не ограничимся.

Снимаем ВАХ характеристики нитей накала ламп

Однако, нам интересен не только пусковой ток, но и то, как изменяется ток через лампу в зависимости от напряжения на лампе. При этом не будем забывать, что неявным параметром здесь будет температура нити накала, которая отражает состояние термодинамического равновесия, как мы чуть ранее видели.

Схема измерения стандартная, поэтому нет смысла ее рисовать. Ток через лампу измеряем амперметром, а напряжение на лампе вольтметром. Питание лампы осуществляется от регулируемого источника напряжения. Шаг изменения напряжения 1 В. Горизонтальная ось на всех графиках соответствует напряжению на лампе, вертикальная току

Первая лампа, 36 В 120 мА

Это реальный график, без какого либо сглаживания и усреднения. Именно поэтому он выглядит не “как на картинке”. Показания амперметра снимались через 5 секунд после изменения напряжения. Что бы успевало установиться термодинамическое равновесие.

Хорошо видно, что ток действительно зависит от напряжения нелинейно. И причина здесь кроется в изменении сопротивления нити накала, которое изменяется линейно в зависимости от температуры, но вот термодинамические процессы эту линейность портят. В целом, все в соответствии с теорией

Вторая лампа, 13 В (гирлянда)

Этот график для нас немного более интересен. Прежде всего тем, что кривая имеет несколько S-образный вид. И, внешне, гораздо ближе к прямой. Дело в том, что в этой лампе очень длинная и тонкая нить накала. Да и сама лампа имеет гораздо меньшее рабочее напряжение. Поэтому нить накала начинает заметно нагреваться уже при малых напряжениях.

Это и дает такой пологий начальный участок ВАХ. Кроме того, лампа от елочной гирлянды, где важна и пожарная безопасность. Поэтому нить накала работает при заметно более низкой температуре. Добавьте меньший диапазон напряжений питания на графике. Вот и получится такой график. При этом общий характер кривой все равно такой же, как у первой лампы, это далеко не линейная зависимость.

Третья лампа, 24 В 3 Вт

В данном случае, нет ничего необычного. ВАХ чуть более линейна, чем у первой лампы, но менее линейна, чем у второй. Это индикаторная лампа, температура которой тоже ограничивается.

В целом можно сказать, что наши простейшие эксперименты подтвердили то, что написано в школьных учебниках физики. И было бы странно, если этого не произошло.

Но мы еще не закончили…

Влияние тепловой инерции нити накала. Временные параметры пускового тока

Статические параметры были скучны и очевидны, что подтвердил эксперимент. Но давайте теперь посмотрим на динамические параметры. Оценим влияние тепловой инерции нити накала.

Для этого снимем осциллограммы переходных процессор при включении лампы. Тот самый бросок тока. Красный луч соответствует напряжению. Желтый луч току. Желтый луч подключался к датчику тока, который оказался довольно шумным, но ехать в лабораторию за другим не хотелось. Да, не очень красиво, но все процессы все равно видно.

Первая лампа, 36 В 120 мА

На выброс на фронте токового сигнала не обращайте внимание. Это артефакт токового датчика (дополнительно к шуму).

Хорошо видно весь переходный процесс в лампе. Начальный бросок тока, который значительно превышает рабочий ток. Плавное увеличение сопротивления нити накала, которое соответствует плавному изменению ее температуры в процессе установления термодинамического равновесия. Видно, что достижение равновесного состояния всех процессов, теплового и электрического, действительно нелинейное.

Горизонтальная ось является осью времени. Одно большое деление соответствует 10 мс. Таким образом, для установления равновесного состояния требуется порядка 40 мс. Нить накала данной лампы не очень инерционная.

Вторая лампа, 13 В (гирлянда)

Это более низковольтная лампа и ее мощность тоже меньше. Поэтому и пусковой, и рабочий, токи меньше, но соотношения между ними примерно такое же. Однако, обратите внимание, насколько меньше тепловая инерция нити накала этой лампы. Если помните, у нее очень тонкая и длинная нить накала. Малая масса нити и дает уменьшение тепловой инерции, всего порядка 15 мс.

Третья лампа, 24 В 3 Вт

Все очень похоже на первую лампу. Да и параметры этих двух ламп довольно близки. Но первая лампа является осветительной, а вторая индикаторной. Хотя, как мы видим на практике, это влияет не сильно. Тепловая инерция нити накала чуть меньше, чем у первой лампы, 30 мс. И действительно, нить этой лампы немного тоньше, она линейная и закреплена на держателях, а не спиральная держащаяся только на проводниках-электродах. Впрочем, разница не велика.

О практическом смысле…

В общем то, я опять ничего нового не скажу. Лампы накаливания чаще всего перегорают именно в момент включения, что и так всем известно. Но тут, кроме пускового тока, присутствует и элемент случайности. Все зависит от того, в какой момент полупериода сетевого напряжения лампу включили. Если конечно она питается переменным током.

Если в момент перехода напряжения через ноль, то большого броска тока не будет. И у лампы есть все шансы выжить. А если лампу включили на максимуме напряжения (амплитудное значение переменного напряжения), то шансы, что это включение будет последним в ее жизни, значительно возрастают.

Поэтому, мощные лампы (прожекторные, например) нередко включают через ограничитель пускового тока. В простейшем случае это достаточно мощный резистор, который замыкается накоротко через несколько периодов сетевого напряжения.

Так же, существуют устройства плавного пуска для галогенных осветительных ламп. Они позволяют продлить жизнь лампам. Но и тут есть один нюанс, который полезно рассмотреть.

Устройство плавного пуска может использовать ШИМ для плавного увеличения действующего напряжения на лампе, плавного увеличения ее яркости. Из рассмотренного ранее можно сделать вывод, что ШИМ не может снизить амплитуду бросков тока при включении. Так в чем же тут дело?

А дело в том, что важна не только амплитуда токового импульса, но и энергия этого выброса. Перегорание нити накала это ее плавление в самой слабой точке. Для этого нужно затратить определенную энергию. В виде теплового эквивалента. И эта энергия зависит от времени действия импульса тока.

Подавая в момент включения лампы ток в виде коротких импульсов, энергия которых недостаточна для плавления нити накала, можно плавно повысить ее температуру. В паузах между импульсами тока нить не только будет несколько остывать, но и ее температура будет выравниваться по всему объему нити. Это позволяет избежать перегрева тонких, изношенны, участков нити. Но температура нити будет постепенно повышаться.

Плавно увеличивая коэффициент заполнения токовых импульсов можно прогреть нить не допуская ее перегорания. Но этот процесс более длительный, чем время тепловой инерции нити накала. И обычно составляет полсекунды и дольше. В зависимости от мощности лампы.

Заключение

Да, простая и привычная всем (почти всем) лампа накаливания совсем не так проста, на самом то деле. Много сил было потрачено на ее изобретение. Но не меньше сил требуется и на то, что бы описать все реально протекающие в лампе процессы на уровне физики и математики.

Многим ли нужны все эти тонкости? Нет, безусловно, немногим. Лампами накаливания прекрасно пользуются и не зная всего этого. Да и изобретали их не с помощью математических расчетов, а “методом проб и ошибок”.

Но становится ли от того лампа накаливания менее интересной? Безусловно, нет! Но все таки, помните, что лампочка совершенно не сводится к простой формуле закона Ома. Хотя именно такие задачи вам задают в курсе школьной физики.

До новых встреч!