8-900-374-94-44
28-10-2019, 14:23 \\ Техно
С момента изобретения первой электрической лампы прошло более 100 лет. Технологии преобразования электричества в свет за это время менялись, совершенствовались многократно, Интересно проследить историю электрических источников света, получивших массовое распространение и понять, какими лампочки будут в будущем.
Те лампочки, которые мы сегодня вкручиваем в стандартный цоколь E14 и E27, имеют мало общего с той, что сделал Эдисон в 1879 году. Пожалуй, сохранился только принцип работы. Он заключается в способности проводника излучать свет при нагревании проходящим через него электрическим током.
Вольфрам, из которого сделана нить ламп накаливания, только один из вариантов. Он подошел, потому что:
Тугоплавкий, с температурой плавления около +3410° C,
Излучает комфортный для человека свет, цветовая температура которого около 2200-2900 К — спектр утреннего солнца: желтый и теплый.
Вольфрам сменил использовавшиеся ранее угольные нити в 1904 году. С тех пор эволюция ламп накаливания шла в двух направлениях:
Изменялся состав газа в герметичной колбе. Например, изобретены галогенные лампы с большим, чем у традиционных, сроком службы. Они светят ярче обычных, так как температура раскаленной нити выше.
Изменялся материал колбы. В тех же галогенках используется кварцевое стекло.
В остальном лампочка осталась прежней. Максимальная светоотдача технологии составляет примерно 30 Лм/Вт.
Люминесцентные газоразрядные лампы-трубки, которые воспринимаются нами как новые, на самом деле даже старше лампочек накаливания. Считается, что их изобрели в 1856 году. Изначально они были синие, а свечение создавалось за счет возбуждаемого соленоидом газа.
В XX веке люминесцентные лампочки стали популярны благодаря более высокому соотношению силы светового потока к затраченной электрической мощности.
У современных моделей он достигает 80 Лм/Вт.
В ходе своей эволюции трубки стали светить белым цветом, соответствующим спектру дневного света, минимально искажая естественную цветопередачу. А также освоили новые цоколи — E14 и E27, что позволило предложить электросберегающую альтернативу лампочкам накаливания.
Источником света здесь выступает светодиод, позволяющий преобразовывать электрическую энергию в световую без посредников в виде нагрева нити или возбуждения газа. На сегодня они самые эффективные в отношении светового потока к потребляемой мощности — 110 Лм/Вт и более.
В ходе эволюции светодиодные лампы стали компактнее, долговечнее. В некоторых моделях срок службы заявляется производителем до 50 тысяч часов. В отличие от других технологий, светодиоды можно сделать любого цвета. Компания Philips и другие производители представили модели лампочек, цвет которых можно выбирать с помощью мобильного приложения на телефоне или специальной ручки на лампе.
Энергоэффективность светодиодной технологии освещения можно проиллюстрировать следующей диаграммой.
Очевидно, что замена опасных ртутных трубок и лампочек накаливания позволяет сокращать затраты на электричество.
Ближайшее будущее, по-видимому, принадлежит светодиодной технологии получения света из электричества. Она еще не достигла своего предела в снижении электроемкости 1 Лм светового потока. Разрабатываются модели с более высоким, чем у современных источников света, КПД.
Технология настоящего, которая будет активно развиваться и в будущем — умный дом. Освещением будет управлять компьютер. Взаимодействовать с ним можно через мобильное приложение на смартфоне или удобный терминал с экраном. Это позволяет сделать жизнь удобнее и снизить затраты электричества на освещение. Умный алгоритм уменьшит интенсивность света или вовсе выключит его, если человек вышел из комнаты.
Еще одно перспективное направления развития технологий освещения — органические световые панели. Уже в 2013 году OLED смогли достичь показателя эффективности 156 Лм/Вт. И, похоже, это не предел.
Поделиться новостью:
Автор — Елена Краснова
Сегодня мы имеем прекрасную возможность наблюдать, как развиваются технологии. Последние десятилетия стали знаковыми в эволюции множества отраслей, её этапы сменяют друг друга настолько быстро, что порой нас уже не удивить очередной навороченной функцией. Будь то усовершенствованный процесс поддержания температуры в новеньком холодильнике, эффект присутствия в видеоиграх или виртуальный ассистент, способный поддерживать полноценный диалог, шутить и выполнять поручения пользователя, – мы воспринимаем это всё как должное. В своё время лампа накаливания произвела полнейший фурор – так давайте же вспомним, какой путь она проделала от настоящего чуда до абсолютно неотъемлемой и такой привычной части нашего окружения.
Отцом лампы накаливания считают Томаса Эдисона, который запатентовал лампу с платиновой нитью в 1879 году и продолжал экспериментировать с материалом нити в последующие годы. Лампа с нитью из угольного волокна могла гореть на протяжении 40 часов, что было рекордом на то время.
Лампа Эдисона с углеродной нитью накалаОднако идея использования электрической дуги для освещения на тот момент была далеко не новой. Первым объяснил само явление электрической дуги и предложил вариант его практического использования русский физик Василий Петров в 1802 году.
В 1840 английский астроном Уоррен де ла Рю продемонстрировал одну из первых известных ламп накаливания, которая представляла собой платиновую спираль в стеклянной трубке, из которой был откачан воздух. Годом позже ирландец Фредерик Де Моллен получает первый патент на устройство для электрического освещения – лампу с платиновой спиралью в вакууме.
В 1844 американец Джон Старр получил патент на вакуумную лампу с угольной нитью, которую можно было заменять после перегорания угля.
До 1854 года лампы накаливания не покидали стен лабораторий и не имели практического применения из-за сложности в обслуживании, поддержания вакуума и срока службы. Немецкий часовщик Генрих Гёбель был первым, кто разработал лампу, наиболее напоминающую современные экземпляры. Обугленную бамбуковую нить толщиной 0,2 мм он помещал в стеклянную трубку. Для получения вакуума Гёбель использовал метод, который применяют при сооружении барометров – заполнение ёмкости малого диаметра ртутью.
Британский химик и физик Джозеф Уилсон Суон долгие годы экспериментировал с получением вакуума в лампе накаливания, однако продемонстрированный им в 1860 году экземпляр работал недолго и малоэффективно. В 1878 году он показал миру новый плод своих трудов – лампу с малым остаточным количеством кислорода, что позволяло хлопковой нити светиться очень ярко не воспламеняясь.
Патент на лампу с угольной нитью в вакуумированном сосуде в 1874 году получил Александр Николаевич Лодыгин.
С 1871 года он разработал несколько вариантов лампы: первые представляли собой угольный стержень в баллоне, причём из баллона воздух не удалялся: кислород выгорал при первом накаливании угля, а дальнейшее накаливание происходило в атмосфере остаточных разреженных газов. В 1873 Александр Николаевич представил обществу лампу, которая содержала два угольных стержня: один горел в течение 30 минут и выжигал кислород, после чего загорался второй стерженёк и светил в течение 2-2,5 часов.
Бытует мнение, что при создании своей лампы Эдисон использовал наработки Лодыгина. Русский электротехник был одним из многих, кто пытался оспорить авторство лампы накаливания, однако он так и не добился своего из-за сложностей с «патентными процессами». Неоспоримым остаётся тот факт, что эксперименты Лодыгина с разными вариантами ламп накаливания подготовили почву для дальнейших разработок Яблочкова, Эдисона и Соуна.
Сотрудник Лодыгина В. Ф. Дидрихсон также занимался усовершенствованием его ламп: он откачивал воздух из сосуда, а количество стержней увеличил до четырёх – они зажигались поочерёдно, что увеличивало срок службы лампы.
Именно такие экземпляры были впервые использованы для долгосрочного освещения помещения в одном из магазинов Петербурга.
Павел Николаевич Яблочков активно следил за экспериментами Лодыгина и решил продолжить работу соотечественника. Работая над «электрической свечкой», он исследовал эффективность горения нити из разных материалов и в 1875-1876 годах открыл каолиновую нить. Особенностью этого материала было то, что такая лампа не нуждалась в вакууме, поскольку каолин не перегорал на открытом воздухе.
Через 20 лет аналогичную лампу с керамическим телом накала создал немецкий физик Вальтер Нернст. Для получения достаточной проводимости материала нити ламп Нернста и Яблочкова необходимо было разогреть до относительно высокой температуры – в первых экземплярах нить подогревалось спичкой, позже стали использовать пусковые электрические нагреватели. Лампа Нернста получила широкое распространение в Германии, поскольку такая лампочка была эффективнее, чем лампа с углеродной нитью.
Яблочков же посчитал такую лампу бесперспективной и отказался от дальнейшего развития идеи.
В 1890-х годах А. Н. Лодыгин исследовал использование тугоплавких металлов – вольфрама и молибдена – для изготовления нитей накаливания. Кроме того, саму нить он предложил закручивать в форме спирали – для повышения сопротивления материала, увеличения яркости свечения и продолжительности срока службы. В 1906 году Лодыгин продал патент на вольфрамовую нить компании General Electric, одним из основателей которой является Томас Эдисон.
Австро-венгерские учёные Шандор Юст и Франьо Ханаман первыми получили патент на лампы с вольфрамовой нитью накала в 1904 году. Этот металл не сразу получил широкое распространение, поскольку был очень дорогим и сложным в обработке. В 1910 году сотрудник компании General Electric Уильям Кулидж добился создания «пластичного вольфрама» путём очистки оксида вольфрама, что значительно упростило процесс изготовления нитей и позволило им вытеснить с рынка нити из других материалов.
Современные лампы накаливания наполнены инертными газами для замедления испарения нити накала в вакууме. Такой подход к решению проблемы был представлен другим сотрудником General Electric Ирвингом Ленгрюмом в 1909 году. Наполнение колбы тяжёлыми благородными газами (например, аргоном) значительно увеличивает время работы ламп и повышает светоотдачу. Кроме аргона используют также криптон и ксенон.
Отдельно стоит вспомнить о галогенных лампах накаливания: в колбу лампы добавляют пары галогенов (брома или йода). В отличии от упомянутых ранее аргонового, криптонового и ксенонового газов, буферные газы галогенных ламп не замедляют процесс испарения вольфрама. Они препятствуют оседанию атомов металла на колбе, вступая с ними в химическую реакцию. Под воздействием высоких температур (около 2700 градусов по Цельсию) эти соединения распадаются и атомы вольфрама оседают обратно на нить накала. В 1954 году патент на такие лампы получили сотрудники фирмы General Electric Элмер Фридрих и Эммет Уайли.
Последние 15-20 лет во всём мире постепенно отказываются от ламп накаливания в пользу энергосберегающих ламп. Причиной тому является низкий световой КПД старой доброй лампы накаливания – ведь большая часть потребляемой энергии идёт на разогревание нити, а не на свечение.
Однако лампы накаливания не спешат покидать этот мир – в гараже пожарной части Ливермора, штат Калифорния, США с 1901 года светится изготовленная ещё вручную лампочка. В 1975 году её занесли в Книгу рекордов Гиннеса, но даже сегодня за ней можно наблюдать через веб-камеру. Пожарные, которые оберегают лампу-старожительницу, шутят, что камеру пришлось менять уже два раза, а лампочка по-прежнему горит.
Поделиться в соцсетях
Министерство энергетики
22 ноября 2013 г.
Узнайте больше об истории лампочки.
Более 150 лет назад изобретатели начали работать над блестящей идеей, которая оказала огромное влияние на то, как мы используем энергию в наших домах и офисах. Это изобретение изменило то, как мы проектируем здания, увеличило продолжительность среднего рабочего дня и дало толчок развитию новых предприятий. Это также привело к новым прорывам в энергетике — от электростанций и линий электропередач до бытовой техники и электродвигателей.
Как и все великие изобретения, лампочка не может быть приписана одному изобретателю. Это была серия небольших усовершенствований идей предыдущих изобретателей, которые привели к появлению лампочек, которые мы используем сегодня в наших домах.
Задолго до того, как Томас Эдисон запатентовал — сначала в 1879 году, а затем годом позже в 1880 году — и начал коммерциализацию своей лампы накаливания, британские изобретатели демонстрировали, что электрический свет возможен с помощью дуговой лампы.
В 1835 году был продемонстрирован первый постоянный электрический свет, и в течение следующих 40 лет ученые всего мира работали над лампой накаливания, возясь с нитью накаливания (частью лампы, излучающей свет при нагревании электрическим током) и атмосфера колбы (независимо от того, откачан воздух из колбы или заполнен инертным газом для предотвращения окисления и перегорания нити накала). Эти ранние лампы имели чрезвычайно короткий срок службы, были слишком дорогими в производстве или потребляли слишком много энергии.
Когда Эдисон и его исследователи из Менло-Парка вышли на сцену освещения, они сосредоточились на улучшении нити накала — сначала тестировали углерод, затем платину, прежде чем, наконец, вернуться к углеродной нити. К октябрю 1879 года группа Эдисона изготовила лампочку с карбонизированной нитью из непокрытой хлопчатобумажной нити, которая могла работать в течение 14,5 часов. Они продолжали экспериментировать с нитью накаливания, пока не остановились на ней, сделанной из бамбука, которая продлила срок службы ламп Эдисона до 1200 часов — эта нить стала стандартом для ламп Эдисона на следующие 10 лет.
Эдисон также внес другие улучшения в лампочку, в том числе создал более совершенный вакуумный насос для полного удаления воздуха из лампочки и разработал винт Эдисона (который сейчас является стандартным патроном для лампочек).
(Историческая сноска: нельзя говорить об истории электрической лампочки, не упомянув Уильяма Сойера и Албона Мэна, получивших в США патент на лампу накаливания, и Джозефа Свона, запатентовавшего свою лампочку в Англии. дебаты о том, нарушают ли патенты Эдисона на лампочки патенты этих других изобретателей. В конце концов американская осветительная компания Эдисона объединилась с Thomson-Houston Electric Company — компанией, производящей лампы накаливания в соответствии с патентом Сойера-Мэна, — чтобы сформировать General Electric, а Эдисон Английская осветительная компания объединилась с компанией Джозефа Свона и образовала Ediswan в Англии.)
Что делает вклад Эдисона в электрическое освещение таким выдающимся, так это то, что он не остановился на улучшении лампочки — он разработал целый ряд изобретений, которые сделали использование ламп накаливания практичным.
Эдисон смоделировал свою технологию освещения на основе существующей системы газового освещения. В 1882 году на виадуке Холборн в Лондоне он продемонстрировал, что электричество можно распределять от расположенного в центре генератора по ряду проводов и трубок (также называемых трубопроводами). Одновременно он сосредоточился на улучшении производства электроэнергии, разработав первую коммерческую энергетическую станцию под названием Pearl Street Station в Нижнем Манхэттене. А чтобы отслеживать, сколько электроэнергии потребляет каждый потребитель, Эдисон разработал первый электросчетчик.
Пока Эдисон работал над всей системой освещения, другие изобретатели продолжали вносить небольшие улучшения, улучшая процесс производства нити накаливания и повышая эффективность лампы. Следующее большое изменение в лампе накаливания произошло с изобретением вольфрамовой нити накаливания европейскими изобретателями в 1904 году. Эти новые лампы накаливания с вольфрамовой нитью работали дольше и давали более яркий свет по сравнению с лампами накаливания с угольной нитью.
В 1913 году Ирвинг Ленгмюр выяснил, что помещение в колбу инертного газа, такого как азот, удваивает ее эффективность. В течение следующих 40 лет ученые продолжали вносить усовершенствования, которые снизили стоимость и повысили эффективность лампы накаливания. Но к 19В 50-х годах исследователи еще только выяснили, как преобразовать около 10 процентов энергии, потребляемой лампой накаливания, в свет, и начали фокусировать свою энергию на других решениях в области освещения.
В 19 веке два немца — стеклодув Генрих Гайсслер и врач Юлиус Плюкер — обнаружили, что они могут производить свет, удаляя почти весь воздух из длинной стеклянной трубки и пропуская электрический ток. ток через него, изобретение, которое стало известно как трубка Гейсслера. Тип газоразрядной лампы, эти лампы не пользовались популярностью до начала 20-го века, когда исследователи начали искать способ повысить эффективность освещения. Газоразрядные лампы стали основой многих технологий освещения, включая неоновые лампы, натриевые лампы низкого давления (тип, используемый в наружном освещении, например, в уличных фонарях) и люминесцентные лампы.
И Томас Эдисон, и Никола Тесла экспериментировали с люминесцентными лампами в 1890-х годах, но никогда не производили их в промышленных масштабах. Вместо этого прорыв Питера Купера Хьюитта в начале 1900-х годов стал одним из предшественников люминесцентной лампы. Хьюитт создал сине-зеленый свет, пропустив электрический ток через пары ртути и включив балласт (устройство, подключенное к лампочке, которое регулирует поток тока через трубку). Хотя лампы Cooper Hewitt были более эффективными, чем лампы накаливания, у них было мало подходящих применений из-за цвета света.
К концу 1920-х и началу 1930-х годов европейские исследователи проводили эксперименты с неоновыми трубками, покрытыми люминофором (материал, который поглощает ультрафиолетовый свет и преобразует невидимый свет в полезный белый свет). Эти открытия вызвали в США исследовательские программы по люминесцентным лампам, и к середине и концу 1930-х годов американские осветительные компании демонстрировали люминесцентные лампы военно-морскому флоту США и на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году.
Эти лампы работали дольше и были примерно в три раза эффективнее ламп накаливания. Потребность в энергоэффективном освещении американских военных заводов привела к быстрому внедрению люминесцентных ламп, и к 1951, больше света в США производили линейные люминесцентные лампы.
Еще одна нехватка энергии — нефтяной кризис 1973 года — заставила инженеров по освещению разработать люминесцентную лампу, которую можно было бы использовать в жилых помещениях. В 1974 году исследователи из Sylvania начали исследовать, как можно уменьшить размер балласта и встроить его в лампу. Хотя они разработали патент на свою лампочку, они не смогли найти способ ее производства. Два года спустя, в 1976 году, Эдвард Хаммер из General Electric придумал, как согнуть люминесцентную лампу в спираль, создав первый компактный люминесцентный светильник (КЛЛ). Как и Sylvania, General Electric отложила этот проект, потому что новое оборудование, необходимое для массового производства этих ламп, было слишком дорогим.
Первые компактные люминесцентные лампы появились на рынке в середине 1980-х годов по розничной цене 25-35 долларов США, но цены могли сильно различаться в зависимости от региона из-за различных рекламных акций, проводимых коммунальными предприятиями. Потребители указали на высокую цену как на препятствие номер один при покупке компактных люминесцентных ламп. Были и другие проблемы — многие компактные люминесцентные лампы 1990 года были большими и громоздкими, они плохо вписывались в светильники, имели низкую светоотдачу и непостоянную производительность. С 1990-х годов улучшение характеристик КЛЛ, цены, эффективности (они потребляют примерно на 75 процентов меньше энергии, чем лампы накаливания) и срока службы (они служат примерно в 10 раз дольше) сделали их жизнеспособным вариантом как для арендаторов, так и для домовладельцев. Спустя почти 30 лет после того, как КЛЛ были впервые представлены на рынке, КЛЛ ENERGY STAR® стоит всего 1,74 доллара США за лампочку при покупке в упаковке из четырех штук.
Одной из самых быстро развивающихся технологий освещения сегодня являются светоизлучающие диоды (или светодиоды). Тип твердотельного освещения, светодиоды используют полупроводник для преобразования электричества в свет, часто имеют небольшую площадь (менее 1 квадратного миллиметра) и излучают свет в определенном направлении, что снижает потребность в отражателях и рассеивателях, которые могут улавливать свет.
Это также самые эффективные светильники на рынке. КПД лампочки, также называемый световой отдачей, представляет собой меру излучаемого света (люменов), деленную на потребляемую мощность (ватты). Лампа со 100-процентной эффективностью преобразования энергии в свет будет иметь эффективность 683 лм/Вт. Для сравнения: лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт имеет светоотдачу 15 лм/Вт, эквивалентная КЛЛ имеет светоотдачу 73 лм/Вт, а существующие на рынке сменные лампы на основе светодиодов варьируются от 70 до 100 Вт. 120 лм/Вт при средней эффективности 85 лм/Вт.
В 1962 году, работая в General Electric, Ник Холоньяк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра в виде красных диодов. Затем были изобретены бледно-желтые и зеленые диоды. Поскольку компании продолжали совершенствовать красные диоды и их производство, они начали появляться i
Как и все великие изобретения, лампочка не может быть приписана одному изобретателю.
Это была серия небольших усовершенствований идей предыдущих изобретателей, которые привели к созданию лампочек, которые мы используем сегодня в наших домах.
Узнайте больше об истории лампы накаливания.
Узнайте об истории люминесцентных ламп, от лампы Гейсслера до компактных люминесцентных ламп.
Узнайте о достижениях в области светодиодных светильников.
Ребекка Матулка
Работал специалистом по цифровым коммуникациям в Министерстве энергетики. Работал специалистом по цифровым коммуникациям в Министерстве энергетики.
еще этого автора
Дэниел Вуд еще этого автора
(202) 586-4940 или DOENews@hq.
doe.gov
На протяжении многих лет люди извлекали пользу из эволюции лампочки множеством способов. От улучшения обычных рабочих будней до надежного ночного спутника лампочка необходима для всего, что мы делаем. Эта удивительная инновация претерпела огромное количество трансформаций на протяжении многих лет, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них здесь.
В отличие от современных ламп, о которых вы могли бы подумать сегодня, дуговые лампы работали на основе концепции создания электрической искры в воздухе между двумя угольными стержнями. Чтобы генерировать максимальное количество света, расстояние между этими двумя стержнями должно быть оптимальным. Слишком маленькое пространство будет генерировать минимальное количество света, тогда как слишком большое пространство будет мерцать и гаснуть.
Как указывалось ранее, стержни дуговой лампы состояли из углерода, и их испарение происходило при высоких температурах.
Пары углерода светятся, поэтому присутствие углерода в дуговых лампах необходимо для получения необходимого света. Несмотря на то, что они были инновационными, они имели серьезные недостатки, такие как выделение вредных ультрафиолетовых лучей и выделение угарного газа.
В 1879 году Томас А. Эдисон получил патент на лампу накаливания. Излучение света от лампы накаливания производится при нагревании нити накала, содержащей инертный газ. Нить накаливания в лампах накаливания сделана из вольфрама, что делает свечение более ярким и потребляет меньше энергии.
Несмотря на то, что Эдисону приписывают создание лампы накаливания, первые признаки непрерывного электрического света были зарегистрированы еще в 1835 году. Появились некоторые теории о том, что именно Никола Тесла изобрел лампу накаливания. Тем не менее, доказательств, подтверждающих эти теории, практически нет, поэтому Эдисон остается победителем.
«Галоген» можно определить как группу элементов периодической таблицы — фтор, хлор, бром, йод и астат.
Эта группа элементов является неметаллической и реакционноспособной, образуя с водородом сильные кислотные соединения. Итак, что это означает с точки зрения эволюции лампочки?
Использование галогена, такого как йод или бром, увеличивает срок службы вольфрамовой нити накаливания и увеличивает освещенность лампы. Преимущество использования галогенов вместо инертного газа позволяет повторно осаждать побочный продукт вольфрама, увеличивая срок службы нити накала в колбе.
Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) — это тип ламп накаливания, которые создают больше света и потребляют на 25 % меньше энергии, чем галогенные лампы. Во время нефтяного кризиса Эдвард Хаммер нашел способ сгибать люминесцентные лампы, создав первые компактные люминесцентные лампы в 1976 году.
В то время было необходимо найти новые, более энергоэффективные средства освещения. В КЛЛ использовался аргон и небольшое количество паров ртути внутри изогнутой трубки, покрытой люминофором.
Когда электрический ток проходит через эти газы, создается невидимый ультрафиолетовый свет, приводящий в действие люминофор, излучающий белый свет. Цветные компактные люминесцентные лампы являются продуктом описанного выше рецепта освещения, но с цветными трубками!
Тем не менее, только в 2014 году экспериментальные белые светодиоды производили 303 люмена на ватт электроэнергии. Освещение исходит от крошечных лампочек, соединенных вместе в колбе, излучающих свет в одном направлении за счет движения полупроводниковых электронов.