Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение «Ильдиканская средняя общеобразовательная школа» Итоговый индивидуальный проект «История создания электрической лампочки» Выполнил: Ваулин Максим 10 класс Руководитель проекта: Пермяков Виктор Николаевич Учитель физики С. Нижний Ильдикан, 2021 Содержание Введение…………………………………………………………………………..3 1. Основная часть....................................................................................................4 1.1. Первые источники света…………………………………………………..4 1.2. Первые попытки создания электрической лампы…………………….....5 1.3. Успехи электрического освещения П. Н. Яблочкова…………………....6 1.4. Александр Николаевич Лодыгин…………………………………………6 1.5. Томас Алва Эдисон………………………………………………………..6 2. Современные лампы……………………………………………………………7 3. Светодиодная лампа……………………………………………………………7 4. КПД и долговечность………………………..…………………………………8 5. Преимущества и недостатки ламп накаливания…………………………13 5.1.Преимущества…………………………………………………………..13 5.2. Недостатки……………………………………………………………….14 6.Вывод........................................................................................................16 7.Источники информации и адреса сайтов…………………………………..17 8.Приложение 1………………………………………………………………….18 9.Приложение 2………………………………………………………………...19 10.Приложение 3……………….……………………………………………….20 11.Приложение 4………………….……………………………………………21 12.Приложение 5.......................……………………………………………….22 13.Приложение 6……………………………………………………………….23 14.Приложение 7…………………………………………………………………24 15.Приложение 8……………………………………………………………….25 16.Приложение 9……………………………………………………………….26 17.Приложение 10..………………………………………………………………27 18.Приложение 11………………………………………………………………28 19.Приложение 12……………………………………………………………….29 2 Актуальность проекта Изобретение электрической лампочки является одним из величайших открытий в истории человечества, имевшее огромное значение. Это привело к перевороту в области энергетики, крупнейшим сдвигам в промышленности, всеобщей электрификации. Сегодня трудно найти уголок в мире, где бы ни было электричества, оно стало неотъемлемой, обязательной частью жизни любого цивилизованного человека. Цель проекта: изучить историю развития электрической лампы. Задачи проекта: Познакомить с первыми источниками света и их создателями. Раскрыть технические характеристики электрических ламп. Выявить преимущества и недостатки источников света. Систематизировать информацию по данной теме. 3 Эволюция источников света Рис.12 (Приложение 12) Первые источники света Современные лампочки имеют богатую и красивую историю, которая уходит корнями в глубину веков. С начала времен люди старались внести в свое жилище свет. Сначала костер в пещере был синонимом уюта и безопасности, так как согревал своим теплом и отгонял хищников. Многие народы населяли ночное пространство монстрами, злыми духами, ведьмами, говорили, что именно ночью просыпаются злые чары, встают из могил покойники... И самым надежным средством спасения от ночных ужасов считался свет, который мог уничтожить все страхи мира. Свет обозначал чистоту, комфорт, защиту. Приспособления, которые помогали людям освещать пространство, постоянно менялись и совершенствовались. Огня в печи или очаге не хватало, чтобы разогнать темноту в домах. Египтяне, римляне и греки использовали для освещения горючий масляный раствор и специальную посуду, сделанную из глины, запалом служил фитиль из хлопка. Жители побережья Каспийского моря в подобные прото-светильники помещали в качестве горючего нефть. Чуть позже в Европе появились первые свечи чаши, наполненные густым жиром, с фитилем из ткани или просто щепки. Жир горел дольше масла, но запах при горении такой свечи оставлял желать лучшего. Широко использовались маканые свечи - простые фитили, которые опускали в жир и зажигали в специальной тарелочке или фонаре. В XV веке появились первые литые свечи из пчелиного воска. Они стоили дорого, так как получить воск было довольно сложно. Использование керосина как горючего для светильников также набирало, обороты и было весьма популярным в XVIII-XIX веке. Керосин был недорогим, что помогало его распространению. Однако он имел ряд серьезных недостатков, в частности, керосиновые лампы коптили, а запах 4 сгоревшего топлива впитывался в одежду, мебель, плохо выветривался из помещения. В ряде европейских государств применялось газовое освещение. Так называемый «светильный газ» содержал бензол, дававший достаточно большое количество света. Газ легко доставлялся к светильникам по специальным трубкам, был прост в использовании и обладал высоким уровнем пожарной безопасности по сравнению со свечами и керосиновыми лампами. Первые попытки создания электрической лампы Не стоит думать, что изобретение лампы было мгновенным и сиюминутным событием. История электрической лампочки представляет собой целую цепь открытий, сделанных разными учеными в разное время. С начала 19 века активно проводились опыты с электричеством, имевшие немалый общественный резонанс. В 1802 году выдающийся русский физик Василий Владимирович Петров, изучавший свойства электрических воздействий на разные предметы, открыл явление электрической дуги яркого разряда, который возникает между сведёнными на определённое расстояние угольными стержнями, и указал на возможность его применения в осветительной промышленности. Явление электрической дуги положило начало созданию дуговых ламп. В 1809 году француз Деларю начинает первые опыты по созданию лампы с нитью накала, которая будет давать свет. Так появились два направления в создании электрического освещения. Научные изыскания продолжались почти 80 лет, и в конце XIX столетия была запущена в производство лампа накаливания, такая, какой мы ее знаем рис. 1 (Приложение 1) . В XX веке лампа накаливания появилась в каждом доме. Она меняла формы, размеры, цветность, но в одном была неизменна - в принципе работы. Лампа накаливания потребляла большое количество 5 энергии, но была безопасна в использовании и прекрасно выполняла свою основную функцию. Успехи электрического освещения П. Н. Яблочкова Свое изобретение русский инженер Павел Яблочков представил на лондонской выставке физических приборов, проходившей 15 апреля 1876 года. Когда его свечи загорелись при помощи электричества, это произвело фурор среди посетителей выставки и вызвало восторг прессы. Заголовки газет пестрели фразами типа «Россия — родина электричества» или «Изобретение русского отставного военного инженера Яблочкова — новая эра в технике». «Электрические свечи» Рис.2 (Приложение 2) Яблочкова представляли собой две угольные пластинки, разделенные фарфоровой вставкой. Они служили проводником электричества, накалявшего дугу, которая и была источником света. Александр Николаевич Лодыгин Первые лампы накаливания Лодыгина представляли собой стеклянный шарообразный сосуд, внутри которого на двух медных стержнях диаметром в 6 миллиметров был укреплен стерженек из ретортного угля (уголь, получающийся на внутренней стороне стенок реторты при сухой перегонке каменного угля, отличается значительной твердостью, хорошо проводит ток) диаметром около 2 миллиметров. Ток подавался по проводам, проходившим через оправу, которая прикрывала отверстие шарового сосуда Рис.3(Приложение 3). В 1873 году в Петербурге на Песках Лодыгин произвел первый опыт освещения улиц при помощи электрической лампы накаливания. Томас Алва Эдисон Томас Эдисон – известный американский изобретатель. Создал лампу с угольной нитью, сроком жизни 40 часов Рис.2(Приложение 4) Изобрел 6 патрон и цоколь. В 1880 г. Довел срок жизни лампы до 1200 часов. В 1878 г. Основал компанию Edison Electric Light, которая затем стала называться General Electric. Его лампы первыми поступили в серийное производство и продажу. Но в 1879 году произошло событие, которое навсегда изменило мир Томас Л. Эдисон усовершенствовал конструкцию лампы Лодыгина и предложил долговечную лампу накаливания. Свечи, многие века, освещавшие человеческий путь во вселенной, утратили своё предназначение, но сохранились как эстетический компонент жизни. Современные лампы Для жилья созданы специальные люминесцентные лампы Рис.5(Приложение 5) - компактные, практически полностью имитирующие привычный внешний вид и размеры лампы накаливания и сочетающие при этом ее достоинства с экономичностью стандартных люминесцентных ламп. При работе простой лампы накаливания 92-94% электроэнергии превращается в тепло и лишь 6-8% - в свет, в то время как компактная люминесцентная лампа, давая аналогичный световой поток, потребляет электроэнергии на 80% меньше. Люминесцентные лампы перед лампами накаливания имеют еще одно очень важное преимущество, обусловленное их физическими особенностями: они могут создавать свет различного спектрального состава - теплый, естественный, белый, дневной. Это сильно обогащает цветовую палитру домашней обстановки. Светодиодная лампа Преимущество светодиодного светильника по сравнению с лампами накаливания — низкое энергопотребление, заявленный долгий срок службы от 30000 до 50000 и более часов, простота установки, более низкая температура корпуса по сравнению с лампой накаливания, имеющей 7 сравнимую яркость, высокая механическая прочность, зачастую — небольшие габариты. Рис.6(Приложение 6) Полная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду, не требуя специальных условий по утилизации: не содержит ртути, её производных и других ядовитых, вредных или опасных составляющих материалов и веществ. Иногда производители не соблюдают экологические нормы. Лампы таких производителей содержат токсичные пластики, электролиты, свинец-содержащие пайки и т. п., а также печатные платы драйвера пропитывают связующими компонентами (фенол и формальдегидными смолами). КПД и долговечность Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Человеческий глаз, однако, видит только узкий диапазон длин волн этого излучения — диапазон видимого излучения. Основная мощность потока излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания (здесь под КПД понимается потребляемой отношение мощности мощности) видимого достигает излучения при к полной температуре около 3400 K(Кельвин) своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) световой КПД составляет около 5 %; лампа имеет срок службы примерно 1000 часов. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 3400 K срок службы всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим срок службы уменьшается на 95 %. 8 Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так, понижение напряжения в два раза (например, при последовательном включении), уменьшает КПД примерно в 4—5 раз, но существенно увеличивает срок службы — почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к освещённости, например, на лестничных площадках жилых домов. Часто, для этого, при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, при этом ток в лампе протекает только в течение половины периода. Такое включение снижает мощность почти в 2 раза, что соответствует снижению эффективного напряжения почти в 1,41 раз, а световой поток снижается более чем в 2 раза. В США в одном города Ливермор (штат Калифорния) из работает пожарных отделений 60-ваттная лампа ручной работы, известная под названием «Столетняя лампа» Рис.7(Приложение 7). Она постоянно горит с 1901 года. Необычно высокий ресурс лампе обеспечила в основном работа на малой мощности (4 Ватта), в глубоком недокале, при очень низком КПД. Лампа включена в Книгу рекордов Гиннесса в 1972 году. Так как стоимость потреблённой за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором экономические затраты на освещение минимальны. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путём понижения напряжения питания с экономической точки зрения убыточны. Стандартные параметры ламп со сроком службы порядка 1000 часов были согласованы рядом крупнейших производителей, основавших в 1930-х годах швейцарскую корпорации Phoebus- сговор нескольких производителей электрического оборудования, в том числе компаний Osram, Philips и General Electric. 9 Картель организован 23 декабря 1924 года и существовал до 1939 года, его целью был контроль над производством и продажей электрических ламп накаливания; одновременно был произведен раздел мировых рынков сбыта, согласованы договоры о неконкуренции и введен сквозной контроль соблюдения стандартов. Время службы лампы накаливания ограничено в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и, в большей степени, возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что, в свою очередь, ведёт к ещё большему нагреву участка нити и интенсивному испарению материала в таких местах, так как мощность в последовательной электрической цепи пропорциональна I2·R. Таким образом, имеется неустойчивость к утоньшению участков нити. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, лампа выходит из строя. Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска. Вольфрам при комнатной температуре имеет удельное сопротивление, всего в 2 раза превышающее удельное сопротивление алюминия. При включении лампы пусковой ток превышает номинальный в 10—15 раз, именно поэтому лампы перегорают обычно в момент включения. Для защиты питающей сети от бросков тока, возникающих в момент перегорания нити лампы при включении, многие лампы, например, бытовые, снабжаются встроенным плавким предохранителем Рис.8(Приложение 8) – (компонент силовой электроники одноразового действия, выполняющий защитную функцию.) По ГОСТу: «Устройство, которое за счёт расплавления одной или нескольких его деталей, имеющих определённую конструкцию и размеры, 10 размыкает цепь, в которую оно включено, прерывая ток, если он превышает заданное значение в течение определённого времени. Предохранитель включает в себя все детали, образующие готовые изделия». Плавкий предохранитель является самым слабым участком защищаемой электрической цепи, срабатывающим в аварийном режиме, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи высокой температурой, вызванной чрезмерными значениями силы тока. Один из коваровых проводников, соединяющих цоколь лампы с выводом из стеклянного баллона, делают тоньше другого, что легко увидеть, рассмотрев лампу, и именно он является плавким предохранителем. Так, бытовая лампа мощностью 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева нити лампы её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной. Для снижения пускового тока могут использоваться терморезисторы Рис.9(Приложение 9) полупроводниковый изменяется в – ((термистор, термосопротивление) — прибор, электрическое сопротивление которого зависимости от его температуры) с отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. В момент включения резистор холодный, и его сопротивление велико. После прогрева его сопротивление многократно уменьшается, и на лампу подаётся почти всё напряжение питающей сети. Реже используются реактивные ограничители пускового тока. Обычно, для этой цели используются дроссели — катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником, так называемые балластные дроссели, включаемые последовательно с лампой. В момент включения из-за явления самоиндукции всё напряжение сети падает на дросселе, что ограничивает пусковой ток. При работе материал сердечника в каждом полупериоде сети заходит в глубокое насыщение (в цепях переменного напряжения), и тогда 11 почти всё напряжение сети прикладывается к лампе. Другой подход при применении балластных дросселей использует зависимость сопротивления нити от температуры. При прогреве сопротивление нити увеличивается, соответственно увеличивается напряжение на лампе, что является сигналом для шунтирования дросселя, например, контактом электромагнитного реле Рис.10(Приложение10) – аппарат, (коммутационный который при воздействии на него внешних физических явлений скачкообразно принимает конечное число значений включена параллельно нити. выходной Без величины), шунтирования обмотка которого балластного дросселя мощность лампы снижается на 5—20 %, что может быть полезно для увеличения срока службы лампы. Также широко используются тиристорные пусковые автоматические или ручные диммеры Рис.11(Приложение 11) - (электронное устройство, предназначенное мощности). для Обычно изменения электрической используется для мощности регулятор регулировки яркости света, излучаемого лампами накаливания или светодиодами. Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению нити накаливания, что позволяет без существенного снижения срока службы повысить температуру нити. Поэтому, в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включённых шести ламп 220В 60 Вт применить шесть последовательно включённых ламп 36В 60 Вт, то есть заменить шесть тонких нитей несколькими толстыми, последовательно включёнными. Недостаток этого решения — снижение надёжности освещения. Перегорание любой из последовательно включённых ламп ведёт к полному отказу освещения. 12 Преимущества и недостатки ламп накаливания Преимущества: низкая цена небольшие размеры невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения мгновенное зажигание и перезажигание незаметность мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях) возможность использования регуляторов яркости приятный и привычный в быту спектр; спектр излучения лампы накаливания определяется исключительно температурой рабочего тела и не зависит, ни от каких иных условий, что следует из принципа её работы. Он не зависит от применяемых материалов и их чистоты, стабилен во времени и имеет стопроцентную предсказуемость и повторяемость. Это важно, в том числе при больших инсталляциях и в светильниках из сотен ламп: нередко можно увидеть, когда при применении современных люминофорных или светодиодных ламп они имеют разный цветовой оттенок в пределах группы. Это уменьшает эстетическое совершенство инсталляций. При неисправности одной лампы часто приходится заменять всю группу целиком, но даже при установке ламп из одной партии встречается девиация спектра высокий индекс цветопередачи, Ra 100 непрерывный спектр излучения резкие тени (как при солнечном освещении) благодаря малому размеру излучающего тела надёжность в условиях низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату налаженность в массовом производстве 13 возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт) отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации отсутствие пускорегулирующей аппаратуры возможность работы на любом роде тока нечувствительность к полярности напряжения чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности) отсутствие гудения при работе на переменном токе (ввиду отсутствия электронного балласта, драйвера или преобразователя) при работе не создаёт радиопомехи устойчивость к электромагнитному импульсу нечувствительность к ионизирующей радиации лампы накаливания создают самый низкий, по сравнению с другими источниками света, уровень ультрафиолетового излучения. Это может быть важно для музеев, коллекционеров: разрушительное воздействие ультрафиолетового излучения приводит к пожелтению материала, происходит растрескивание экономическая целесообразность установки в местах с кратковременным эпизодическим включением света. Например, в кладовых и т. П. Недостатки: относительно малый срок службы низкая световая отдача резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к 14 мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод, что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостаток: значительно уменьшается КПД, а также появляется значительное мерцание света лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает, в зависимости от мощности, следующих величин: o 25 Вт — 100 °C, o 40 Вт — 145 °C, o 75 Вт — 250 °C, o 100 Вт — 290 °C, o 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона бросок тока при включении (примерно десятикратный) нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников хрупкость, чувствительность к удару и вибрации 15 Вывод: проблема энергосбережения в настоящее время принимает всё большую актуальность. Значительная часть электроэнергии, потребляемая предприятиями и организациями, расходуется на освещение производственных помещений и уличное освещение. Следовательно, возникает задача производства модернизации в области освещения путём применения энергосберегающих источников света. Одним из путей решения данной задачи может являться использование светодиодного освещения. Лампами накаливания также пользуются, но из-за своих недостатков они впоследствии уйдут в непригодность. Модернизация светодиодного освещения – шаг в будущее!!! 16 Источники информации и адреса сайтов: https://gisee.ru/articles/experience/1084/ http://electrolights.ru/ustroistvo-.html https://ru.wikipedia.org/wiki/ http://varton.ru/documents/articles/1093/ Литература: Автор: Вознесенская З. С. Электрические лампы накаливания Издательство: Государственное энергетическое издательство, год выпуска 1953г, тип книги Букинистка Количество страниц: 144 Автор: Коллектив авторов М. Н. Покровский, критик и публицист Н. Л. Мещеряков, поэт В. Я. Брюсов, профессор В. Ф. Каган, К. С. Кузьминский и другие. Большая Советская Энциклопедия Издательство: Советская энциклопедия, 1926—1990 Количество томов 30 17 Приложение 1 Рис.1 Строение современной лампы накаливания 1 – Полость колбы 2 – Колба 3 – Держатель нити накала 4 – Токовый ввод 5 – Нить накаливания 6 – Токовый ввод 7- Ножка 8 – Предохранитель 9 – Цоколь лампы накаливания 10 – Контакт цоколя 11 – Изолятор цоколя 18 Приложение 2 Рис.2 Электрическая свеча П.Н.Яблочкова 19 Приложение 3 Рис.3 Лампа А.Н.Лодыгина 20 Приложение 4 Рис.4 Строение лампы накаливания 21 Приложение 5 Рис.5 Люминесцентные лампы 22 Приложение 6 Рис.6 Светодиодные лампы 23 Приложение 7 Рис.7 Столетняя лампа 24 Приложение 8 Рис.8 Плавкий предохранитель 25 Приложение 9 Рис.9 Терморезистор 26 Приложение 10 Рис.10 Электромагнитное реле 27 Приложение 11 Рис.11 Ручной диммер 28 Приложение 12 Рис.12 Эволюция источников света 29
