Перечислите осветительные приборы, которые вы обычно используете. Подумайте, какие опасности могут подстерегать человека при неаккуратном или неправильном их применении.
Бытовые электроприборы – это электрические или электромеханические устройства, которые обеспечивают человеку возможность проживания в доме или квартире, делают это проживание комфортным, помогают в домашнем хозяйстве. В настоящее время существует огромное количество разнообразных бытовых электроприборов. Важное место среди них занимают электроосветительные приборы.
Известно, что солнечный свет повышает устойчивость организма к болезням, способствует правильному росту и развитию детей. Поэтому следует создавать условия для максимального доступа солнечного света в помещения. Известно, что запылённые стёкла задерживают около 20 % света, поэтому их надо протирать два раза в месяц изнутри и по возможности снаружи. Если комната подростка выходит на лоджию или балкон, не желательно их застеклять – это ухудшает воздушный и световой режим помещения.
Когда солнце заходит, человек включает искусственное освещение. Отдых и зрительная работа требуют разного освещения. Наиболее рационально во всех помещениях сочетать как потолочные (люстры) (рис. 1, а), так и местные (настенные, настольные и т. п.) светильники. Например, для комнаты площадью 15 квадратных метров, оклеенной светлыми обоями и обставленной светлой мебелью, требуется потолочный светильник с тремя лампами накаливания мощностью 60 ватт или энергосберегающими лампами мощностью 13 ватт. Если человек отдыхает и ему не нужно яркое освещение, то применяют светильники настенные (бра) (рис. 1, б) или напольные (торшеры) (рис. 1, в). Для освещения стола служат настольные лампы (рис. 1, г), а для небольшого освещения ночью –ночники (рис. 1, д).
Рис. 1. Бытовые электрические светильники: а – люстры; б – бра; в – торшер; г – настольные лампы; д – ночники
Преобразование электрической энергии в световую основано на двух факторах – 1) температурноми 2) способности некоторых тел (люминофоров) к свечению. На основе температурного фактора работают тепловые источники света – лампы накаливания(рис. 2, а)идуговые лампы (рис. 2, б). На основе способности некоторых тел к свечению работают люминесцентные лампы(рис. 2, в). В дуговых лампах свет идёт от электрической дуги, возникающей между двумя электродами, которые при этом постепенно сгорают. Промышленность выпускает лампы накаливания разных форм и размеров (рис. 2).
Рис. 2. Виды электрических ламп: а – лампа накаливания; б – дуговая ртутная лампа; в – энергосберегающие люминесцентные лампы
В создании лампы накаливания приняло участие большое количество учёных и инженеров. Первую электрическую лампу накаливания изобрёл в 1872 году русский инженер-электротехник Александр Николаевич Лодыгин (рис. 3). Именно он предложил использовать в качестве материала для нити накала вольфрам и предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух для увеличения срока её службы.
Рис. 3. Русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин
В его лампочке электрический ток проходил по угольной нити, которая не выдерживала высокой температуры накала и взрывалась. Лампа Лодыгина была очень недолговечной и по срокам службы значительно уступала дуговой. Никак не удавалось подобрать металл, тоненькая нить которого, накаляясь, не плавилась бы. Пробовались самые редкие и самые стойкие металлы. И лишь после 20 лет поисков решил эту задачу опять-таки А.Н. Лодыгин. Нужным материалом оказался вольфрам. Теперь во всём мире из него делают нити накала для электроламп.
В настоящее время дуговые лампы находят применение в качестве мощных источников света в прожекторах. Изобретателем дуговой лампы был русский учёный П.Н. Яблочков (рис. 4). Созданная им в 1886 г. дуговая лампа получила название «свеча Яблочкова». В дуговых лампах (см. рис. 2, б) свет излучает электрическая дуга, возникающая между двумя электродами. Дуговые лампы применяют в качестве мощных источников света в прожекторах.
Рис. 4. Русский инженер Пётр Николаевич Яблочков
Заслуга разработки люминесцентного освещения принадлежит русскому академику Сергей Иванович Вавилову и его ученикам (рис. 5). Сегодня трудно себе представить городское освещение без этих ламп, как и световую рекламу — без неонового многоцветия. Люминесцентные осветительные приборы всё глубже проникают в наш быт, однако самой популярной остаётся привычная всем нам лампа накаливания.
Рис. 5. Русский академикСергей Иванович Вавилов
В 1879 году американский изобретатель Томас Эдисонусовершенствовал лампу накаливания, (рис. 6) откачав из неё воздух, что сразу значительно увеличило срок её службы. Впоследствии угольная нить была заменена вольфрамовой спиралью, которая благодаря высокой температуре плавления этого металла (3400 °С) сделала лампу накаливания долговечной.
Рис. 6. Американский изобретатель Томас Эдисон
Лампа накаливания
Современная лампа накаливания имеет стеклянный баллон, к которому крепится металлический цоколь с винтовой нарезкой. Концы нити накала приварены к электродам и дополнительно поддерживаются двумя крючками (рис. 7). Выводы электродов соединены с цоколем. К одному из них с помощью сварки подключается предохранитель, а затем этот вывод приваривается к корпусу цоколя. Вывод второго электрода через изолятор из стекломассы припаивается к центральному электроду, закреплённому к нижней части цоколя.
Рис. 7. Устройство лампы накаливания: а – стеклянная колба; б – нить накала; в – штабик; г – электроды; д – цоколь; е – изолятор; ж – центральный контакт
Для увеличения срока службы лампы воздух из стеклянной колбы удаляют (вакуумные лампы) или заполняют колбуинертным газом (газонаполненные лампы).
В зависимости от области применения различают лампы накаливания общего назначения (рис. 7), лампы для фар автомобиля, для холодильников, индикаторные лампы и др. Размеры колб ламп накаливания могут быть самыми разными. Осветительные лампы накаливания, которые мы применяем дома, получают энергию из квартирной электросети, поэтому они рассчитаны на напряжение 15- 220 В. Чем больше мощность лампы, тем больше электроэнергии необходимо для её работы. На колбе и цоколе электрической лампы есть надписи, информирующие о величине рабочего напряжения лампы и её мощности:
лампочка карманного фонарика — 3,5 В;
лампочка мотоцикла — 6 В;
автомобильные лампы — 12 В;
в бытовой осветительной сети — 127, 220 и 230 В.
Срок службы лампы накаливания составляет в среднем 1000 часов непрерывной работы. Большая часть электрической энергии (до 95%) в лампе накаливания превращается в невидимое инфракрасное излучение, т. е. в тепло. В ряде случаев это позволяет использовать лампу накаливания в качестве источника тепла.
Лампы накаливания используют в бытовых осветительных приборах. Однако сейчас их начинают вытеснять энергосберегающие люминесцентные лампы. Это объясняется тем, что люминесцентные лампы создают большой световой поток при относительно малом потреблении электрической энергии.
Лампы накаливания мощностью до 40 Вт — вакуумные, рабочая температура нити накала в них достигает 2400 °С. Лампы мощностью 60 Вт и выше — газонаполненные, температура нити накала в этих лампах выше 3000 °С. Газ уменьшает распыление вольфрамовой нити, увеличивая тем самым срок службы лампы, позволяет повысить температуру нагрева и соответственно яркость свечения. Лампы накаливания очень чувствительны к колебаниям напряжения. Например, увеличение напряжения на 10% повышает световую отдачу лампы на 40 %, но при этом сокращает срок её службы на 65 %. Уменьшение напряжения на 10% снижает светоотдачу лампы на 37%, но увеличивает срок службы лампы на 50%. Срок службы лампы накаливания составляет в среднем 1000 часов непрерывной работы, т. е. около года домашней эксплуатации, но при условии, что напряжение электрической сети не превышает 220 В. Если напряжение сети время от времени повышается, то срок службы лампы накаливания резко сокращается. На этот случай выпускаются лампы на повышенное напряжение — 235-245 В. Такие лампы следует использовать в местах, где их часто приходится включать-выключать, и при затрудненном доступе к ним.
Если лампы служат более двух лет, то это показатель того, что они горят с недостаточным накалом и их световой поток значительно уменьшен. При снижении напряжения на 1 % от номинального световой поток лампы накаливания уменьшается на 3-4%. Для таких случаев выпускаются лампы, рассчитанные на пониженное напряжение — 215-225 В.
Большая часть электрической энергии (до 95%) в лампе накаливания превращается в невидимое инфракрасное излучение, т. е. в тепло. В некоторых случаях это позволяет использовать лампу накаливания в качестве источника тепла.
Известно, что при нагревании металлов до 530 °С они начинают излучать особый розоватый свет. При 700 °С свет становится тёмно-красным, а при 1500 °С — ослепительно белым, что и используют в электрической лампе накаливания.
При длительном сроке эксплуатации лампы её нить накала утончается за счёт распыления вольфрама, сопротивление нити увеличивается, снижается её температура, интенсивность светового потока уменьшается на 15-20%. Процесс разрушения нити накала заканчивается её разрывом. В этом случае мы говорим, что лампочка перегорела.
Каждый из нас бывал свидетелем этого финала. Перед тем как окончательно потухнуть, свет сначала меркнет, потом ярко вспыхивает, а иногда стеклянный баллон даже взрывается. Почему это происходит?
В разрыве изношенной вольфрамовой нити, между её разошедшимися концами, возникает электрическая дуга, видимая нами, как яркая вспышка света. Температура этого электрического разряда превышает температуру плавления вольфрама, и это приводит к очередному разрыву нити на другом её участке. Раскалённый обрывок спирали падает на стекло, баллон разрывается. Для защиты от этого пожаро- и травмоопасного явления в отечественных лампах мощностью 60 Вт и выше в одном из медных выводов лампочки устанавливается плавкий предохранитель. Он представляет собой участок вывода, выполненный из легкоплавкого металла, который при повышении температуры от разряда электрической дуги успевает расплавиться раньше, чем вольфрамовая нить, окончательно разрывает цепь и в конечном счёте предотвращает взрыв стеклянного баллона.
Импортные лампы, лишённые этой защиты, имеют дополнительную маркировку, указывающую, в каком положении должна использоваться лампа: баллоном вверх или вбок, но не вниз (в последнем случае стекло баллона наиболее уязвимо).
Лампа накаливания во время работы греется, что приводит к нагреванию плафона светильника и к повышенной циркуляции воздуха и частиц пыли вокруг него. При выключении лампы циркуляция воздуха уменьшается, частицы пыли и копоти оседают на лампе и плафоне. С течением времени слой пыли и копоти на поверхности светильника накапливается и начинает сильно поглощать свет, снижая освещённость в помещении. Особенно быстро скапливается пыль и копоть там, где лампы устанавливают колбой вверх. В таких светильниках лампы, плафоны и арматуру рекомендуется протирать не реже двух раз в месяц. Вторым правилом эксплуатации осветительных приборов является своевременная замена перегоревших ламп.
Все работы, связанные с уходом за светильниками, в целях безопасности следует проводить при выключенном напряжении и охлаждении ламп накаливания до комнатной температуры.
Люминесцентные лампы
Благодаря простым правилам эксплуатации и низкой стоимости лампы накаливания находят весьма широкое применение в бытовых осветительных приборах. Однако они начинают постепенно вытесняться люминесцентными лампами и светильниками на их основе. Это объясняется тем, что люминесцентные лампы создают сравнительно большой световой поток при относительно малом потреблении электрической энергии. Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, из которой удалён воздух (рис. 8).
Рис. 8. Конструкция люминесцентной лампы: а — вид в разрезе, б — конструкция; 1 — стеклянная трубка, 2 — нити накала, 3 — капля ртути, 4 — покрытие из люминофора, 5 — пластмассовый цоколь
Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором — веществом, которое начинает светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Трубку лампы заполняют небольшим количеством инертного газа, например аргона, и вводят капельку ртути. У каждого конца трубки смонтированы нити накала, которые являются одновременно электродами лампы. Нити накала при нагреве испускают электроны, нагревая аргон и ртуть. Под действием тепла капелька ртути испаряется и переходит в газообразное состояние. Ультрафиолетовое свечение паров ртути, имеющее слегка фиолетовый оттенок, возникает при электрическом пробое паров ртути.
Процесс пробоя паров ртути похож на пробой воздуха при грозе, когда между заряженным облаком и землёй проскакивает поток электрических зарядов в виде молнии. В природе этот процесс кратковременен. В лампе же он поддерживается постоянно за счёт источника энергопитания и дросселя (Др) — катушки с железным сердечником. Дроссель служит как для ограничения силы тока в лампе, так и для создания дополнительного кратковременного напряжения, достаточного для эффекта пробоя. Когда ультрафиолетовое излучение падает на люминофорное покрытие, последнее начинает светиться ярким дневным светом.
Включение и выключение нитей накала в люминесцентной лампе происходит автоматически, с помощью специального пускового выключателя — стартёра. В случае отсутствия стартёра его можно заменить кнопкой или обычным выключателем (рис. 9).
Рис. 9. Схема включения люминесцентной лампы
Люминесцентные лампы работают 12 000 часов при коэффициенте полезного действия в несколько раз большем, чем у ламп накаливания. Однако люминесцентные лампы имеют более сложную систему запуска (включения).
Внимание
С люминесцентной лампой следует обращаться с большой осторожностью, так как капелька ртути, находящаяся в трубке лампы, является опасным для жизни человека веществом. Категорически запрещается разбивать трубку лампы. После выхода из строя, люминесцентные лампы нельзя выбрасывать. Вышедшие из строя лампы следует сдавать на специальные пункты утилизации для удаления ртути.
Указанные трудности ограничивают использование люминесцентных ламп в быту, так как для их обслуживания требуется определённая квалификация. Тем не менее в последнее время отечественные и зарубежные производители стали выпускать декоративные светильники с люминесцентными лампами. Для упрощения эксплуатации в быту все дополнительные компоненты к светильнику смонтированы в едином герметизированном корпусе и не подлежат ремонту в бытовых условиях. Светильник подключается к электрической сети с помощью вилки и включается выключателем, вмонтированным в корпус, что вызывает некоторые трудности при установке светильника на большой высоте.
Неоновые лампы
Трубка неоновой лампы заполняется неоном в смеси с другими газами для получения свечения разного цвета. Чистый неон светится оранжевым цветом; добавляя к нему другие газы, можно получить синее, зелёное, красное и белое свечение. Чтобы возникло свечение, к трубке с помощью электродов от источника переменного тока подаётся высоковольтное напряжение, которое вызывает пробой в газе. Чем длиннее трубка, тем большее напряжение требуется для её зажигания. Однако небольшие неоновые лампы, используемые в устройствах индикации, например сигнальная лампочка утюга, работают от напряжения всего лишь в 110 В. Для питания неоновых рекламных надписей требуется напряжение в несколько десятков киловольт. Такое высокое напряжение для питания неоновых ламп получают с помощью повышающих трансформаторов. Схема включения неоновой лампы приведена на рисунке 10.
Провод – это кабельное изделие, которое предназначено для соединения потребителя с источником электрического тока. Состоит провод из одной неизолированной или нескольких изолированных скрученных жил. Разделяются провода на голые (без оболочки) и изолированные. В качестве изоляции используются специальные лаковые покрытия, полимеры или их комбинации.
Кроме типа изоляции провода классифицируют по теплостойкости, материалу проводника, диаметру и площади поперечного сечения, гибкости и проводимости.
Рис. 11. Провода
Кабель – это одна или несколько изолированных жил (проводников), которые заключены в герметичную защитную оболочку. В зависимости от дальнейшего предназначения кабель может иметь дополнительное защитное покрытие, например - экран, бронированную оплётку, сшитый полиэтиленовый слой, обеспечивающий высокие диэлектрические свойства изоляции. По типу кабеля разделяются на силовые и контрольные.
Силовой кабель служит для передачи электроэнергии на большие расстояния по воздуху, воде, земле. Контрольный кабель предназначен для передачи информации и данных в автоматизированных системах управления.
Во время работы электросети происходит нагрев проводов. Из-за этого их не следует располагать в одном месте в больших количествах. Всегда нужно обращать внимание на стандарты, которые прописаны в нормативной документации, регламентирующей электросети. Зачастую при монтаже требуется обустройство параллельной проводки с изгибами и поворотами.
Современные кабели имеют трехжильную структуру, в которой ключевым материалом выступает медь.Алюминиевая проводка в квартире используется очень редко, так как медь является более приемлемым материалом и соответствует нынешним стандартам. Сечение проводов подбирается индивидуально в зависимости от показателя расчетной мощности в системе. Для того чтобы подобрать нужное сечение, можно воспользоваться одной из таблиц в интернете.Стандартный вариант – использование кабеля, сечение которого составляет 2,5 мм (для подвода электрического тока к розеткам). В свою очередь, подпитка осветительных приборов осуществляется с помощью 1,5-миллиметровых проводов.
Рис. 12. Кабели
Полезная информация!В некоторых случаях прокладка проводки в квартире учитывает обустройство отдельного кабеля (например, для стиральной машинки). Это связано с тем, что старая система может не выдерживать напряжения, которого требует современная техника.
Шнур– это провод сечением не более 1,5 мм², который имеет изолированные многопроволочные жилы повышенной гибкости, соединённые между собой общей изоляцией. Шнуры применяют для соединения подвижных бытовых приборов с источником тока.
Рис. 13. Шнур
Новые слова и понятия
Тепловые источники света, люминесцентные источники света, лампы накаливания, дуговые лампы. Нить накала, стеклянный баллон, инфракрасное излучение, газонаполненные лампы, вакуумные лампы.
Проверяем свои знания
На какие мощности рассчитаны стандартные газонаполненные и вакуумные лампы накаливания?
Чем отличается лампа накаливания от дуговой лампы?
Почему дуговые лампы не находят применения в быту?
Почему люминесцентные лампы чаще используются в общественных местах и относительно редко в домашних условиях?
Почему в быту чаще используются лампы накаливания?
Какой максимальный КПД имеют лампы накаливания?
Каков средний срок службы лампы накаливания?
Что является причиной разрыва спирали в лампах накаливания?
Как расходуется электроэнергия в лампе накаливания?
Для каких целей помимо освещения можно использовать лампы накаливания?
Кто изобрёл лампу накаливания и дуговую лампу?
Кто и как усовершенствовал лампу накаливания?
Почему спираль лампы накаливания изготовляют из вольфрама?
Каково назначение стартёра люминесцентной лампы?
Почему вышедшую из строя люминесцентную лампу следует утилизировать?
Перечислите достоинства и недостатки люминесцентных ламп и ламп накаливания.
Каким образом изменяется цвет свечения неоновых ламп?
Где используются неоновые лампы?
Практическая работа
Задание. Провести энергетический аудит школы.
Исследуйте разные помещения школы. Оцените использование электроэнергии по потреблению света или тепла.
Выясните, существуют ли санитарные государственные нормы освещённости в школах и сравните их с условиями в вашей школе, классе, мастерской.
Выясните у завхоза школы, учителей:
Какие лампы применяются в разных помещениях?
Энергетическую эффективность типов используемых ламп.
Как часто остаётся невыключенным ненужное освещение в классах и подсобных помещениях?
Как часто меняются перегоревшие лампы?
В каких помещениях лампочки перегорают чаще всего? Почему?
Отыщите другие используемые в школе электронагревательные приборы, например электрические камины, обогреватели. Определите их мощность и продолжительность ежедневной работы.
Оцените состояние дверей и окон: есть ли сквозняки, установлены ли двойные рамы?
Свои исследования оформите в письменном виде в качестве доклада. Он должен включать конкретные данные, подтверждающие ваши выводы, и рекомендации. Ознакомьте с ними своих товарищей и учителей.
Аналогичную работу проделайте дома. Результаты представьте в виде письменного отчёта с рекомендациями по экономии электроэнергии в быту. Поделитесь вашими выводами с членами семьи, соседями.
Возьмите лампу накаливания и ознакомьтесь с её электрическими параметрами; исходя из этих параметров вычислите сопротивление нити накала, а затем измерьте его с помощью электроизмерительного прибора. Объясните, почему измеренное вами сопротивление нити накала довольно значительно отличается от рассчитанного его значения.
