ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ
До появления электрического освещения человечество веками использовало пламя лучин, свечей, масляных и керосиновых ламп. Прорыв произошёл благодаря выдающимся открытиям русских инженеров во второй половине XIX века:
- «Свеча Яблочкова» (1876 г.):
Русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков сконструировал первую в мире надёжную электрическую дуговую лампу без сложного часового регулятора. Она состояла из двух параллельных угольных стержней, разделённых пластиной из изолирующего каолина (белой глины). При пропускании тока между концами стержней вспыхивала ослепительная электрическая дуга; по мере выгорания углей изолятор равномерно испарялся. Свечи Яблочкова осветили театры и бульвары Парижа и Лондона, а европейская печать с восторгом окрестила это открытие «русским светом» и «светом, пришедшим с Востока».
- Лампа накаливания Лодыгина (1873 г.):
Русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин впервые в мире создал долговечную лампу накаливания. Внутри стеклянного шара, из которого был откачан воздух, на тонких ножках крепился тонкий угольный стерженёк. Протекающий ток раскалял уголь до белого каления. В 1873 году Лодыгин продемонстрировал публике первые светящиеся фонари на улицах Санкт-Петербурга.
- Усовершенствования Томаса Эдисона:
Американский предприниматель и изобретатель Томас Эдисон развил идею Лодыгина, сделав лампу предметом массового промышленного производства. Эдисон заменил угольный стержень тонкой волокнистой обугленной бамбуковой нитью, а также разработал всю сопутствующую электроарматуру: резьбовой цоколь (цоколь Эдисона E27), настенный патрон, поворотный выключатель, штепсельную вилку и защитные предохранители.
УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННОЙ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Современная классическая лампа накаливания (рис. 110) включает следующие конструктивные элементы:
- Тело накала: тончайшая спираль из тугоплавкого металла вольфрама (температура плавления вольфрама составляет $3387\ ^\circ\text{C}$). При протекании тока спираль нагревается до температуры $2500\text{–}3000\ ^\circ\text{C}$ и начинает испускать яркий видимый свет.
- Стеклянная колба: герметичный баллон, из которого откачан воздух. В вакууме вольфрам быстро испаряется, оседая на стекле чёрным налётом, поэтому колбу заполняют смесью химически неактивных газов под небольшим давлением (азот, аргон или криптон). Молекулы газа сдерживают испарение вольфрама и предотвращают его окисление.
- Держатели и вводы: спираль удерживается упругими молибденовыми крючками, прикреплёнными к стеклянной ножке, и соединяется со свинцово-медными проводниками.
- Цоколь: наружный металлический стакан с винтовой нарезкой соединяется с одним проводом спирали, а центральный донный контакт, отделённый полоской изолятора, — со вторым.
⚠️ Главный недостаток лампы накаливания: Чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Всего лишь $2\text{–}5\%$ потребляемой электрической энергии превращается в полезный видимый свет, а остальные $95\text{–}98\%$ расходуются впустую на нагревание окружающей среды.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЛАМПЫ
При обычных условиях газы являются отличными диэлектриками, так как они состоят из нейтральных электрически неделимых атомов и молекул. Воздушный промежуток выключателя надёжно размыкает цепь.
- Ионизация газа: Под воздействием сильного нагрева, рентгеновского или ультрафиолетового излучения нейтральные молекулы газа распадаются на свободные электроны и положительные ионы.
- Газовый разряд: Если ионизированный газ поместить в электрическое поле, свободные заряды начинают упорядоченное движение (положительные ионы — к катоду, электроны — к аноду). Такой ток в газе называют газовым разрядом.
- Электронная лавина (рис. 111): В сильном электрическом поле электрон разгоняется до колоссальной скорости. Налетая на нейтральный атом, он силой удара выбивает из него электрон — происходит ударная ионизация. Теперь уже два электрона разгоняются полем и ионизируют следующие атомы. Число свободных зарядов лавинообразно увеличивается за доли микросекунды.
- Энергосберегающая люминесцентная лампа (рис. 112): Запаянная стеклянная трубка наполнена разреженными парами ртути. Электрический ток в парах ртути создаёт невидимое ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолет падает на внутренние стенки трубки, покрытые слоем люминофора (особого кристаллического порошка), заставляя его ярко светиться в видимом для глаза диапазоне. КПД люминесцентных ламп в $4\text{–}5$ раз выше, чем у ламп накаливания.
- Светодиоды (LED): Наиболее современные и экономичные источники света. Ток пропускается через полупроводниковый кристалл, где энергия электронов напрямую преобразуется в световые кванты (фотоны) без нагрева нитей и без токсичных паров ртути.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
В быту и на производстве широко используется тепловое действие тока: в электроплитах, утюгах, чайниках, водонагревателях (ТЭНах), фенах и металлургических электропечах.
Устройство нагревательного элемента:
- Главная деталь любого нагревателя — спираль или лента из металла или сплава, обладающего высоким удельным сопротивлением и высокой температурой плавления (жаростойкостью). Чаще всего используют нихром (сплав никеля, хрома и железа) или фехраль.
- Чтобы металлический корпус прибора не находился под опасным напряжением, спираль изолируют прочными термостойкими диэлектриками: керамическими бусами, пластинами из слюды или плотно спрессованным порошком оксида магния (периклазом) внутри стальной трубки (трубчатый электронагреватель — ТЭН).
Автоматическое регулирование температуры:
Современные утюги, чайники и конфорки электроплит оснащают биметаллическими терморегуляторами. Пластина, спаянная из двух металлов с разным тепловым расширением, при достижении заданной температуры изгибается и размыкает контакты, отключая ток. При остывании пластина возвращается в исходное положение, снова замыкая цепь.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Первопроходцы электрического света:
- П. Н. Яблочков (1876 г.) — дуговая «свеча Яблочкова» («русский свет» в Париже);
- А. Н. Лодыгин (1873 г.) — первая лампа накаливания с угольным стержнем в вакууме;
- Т. Эдисон — промышленный цоколь E27, выключатель, массовое производство.
- Устройство лампы накаливания: Вольфрамовая спираль ($t_{\text{пл}} = 3387\ ^\circ\text{C}$), стеклянная колба с инертным газом (аргон, криптон), электроды, резьбовой цоколь. КПД всего $2\text{–}5\%$.
- Электрический ток в газах (газовый разряд):
- В норме газ — изолятор;
- Под действием поля или тепла возникает ударная ионизация и электронная лавина;
- Носители тока: электроны, отрицательные и положительные ионы.
- Люминесцентная лампа: Разряд в парах ртути $\rightarrow$ ультрафиолетовое излучение $\rightarrow$ свечение кристаллического слоя люминофора.
- Нагревательные приборы: Спирали из нихрома (высокое $\rho$, тугоплавкость), термостойкая изоляция (керамика, слюда), биметаллические термостаты для автоотключения.