Физика в быту

Глава 3

Лампы накаливания

Характеристики излучения

Эти лампы начали постепенно входить в наш быт с конца XIX – начала XX века.

Это чисто тепловой источник света, и в этом отношении лампа накаливания – близкий родственник свечи и Солнца. Чем ближе температура теплового источника к температуре поверхности Солнца, тем больше похожи спектры их излучений. Нить накала лампы (вольфрамовый волосок, закрученный в виде спирали) при пропускании через неё тока раскаляется до температуры 2600–3000 К. Спектр её излучения непрерывный, как и солнечный, но из-за более низкой температуры максимум излучения приходится не на видимую, а на инфракрасную часть спектра. И хотя практически вся потребляемая лампой электроэнергия превращается в излучение, в видимый диапазон попадает не более 5 % энергии. Это и есть КПД (коэффициент полезного действия) лампы. То есть на каждый заплаченный за электроэнергию рубль мы получаем света на 5 копеек, остальное идёт на нагревание помещения инфракрасным излучением (что в холодное время года, может, и неплохо).

Понятия КПД лампы и светоотдачи родственны. При расчёте КПД мы берём отношение полезной мощности, выделяющейся в виде света, к затраченной и получаем безразмерную величину, обычно выражаемую в процентах. При расчёте светоотдачи мы берём отношение светового потока в люменах к затраченной мощности в ваттах.

Чем больше мощность лампы, тем выше температура нити накала, из-за чего значительно возрастает доля видимого излучения в спектре, и растёт светоотдача. При температуре 3400 К уже 15 % электроэнергии превращается в свет. Но при такой высокой температуре вольфрамовая нить быстро испаряется и срок службы лампы уменьшается до нескольких часов, поэтому такие лампы в быту не используют. Сейчас в продаже имеются лампы мощностью 75, 60 и 40 Вт. Жаль, но 100-ваттные и 150-ваттные лампы сняли с производства, хотя они более энергоэффективны, чем маломощные лампы, хотя и менее долговечны.

С ростом мощности лампы её свет становится не только ярче, но и белее, потому что возрастает цветовая температура, что тоже существенно для нас. Так, цветовая температура 40-ваттной лампы 2200 К, 60-ваттной – 2680, а 100-ваттной – 2800 К.

Рис. 15. Сглаженный график спектра солнечного света на уровне земли и спектр лампы накаливания

И всё же из-за того, что температура нити накала гораздо ниже температуры поверхности Солнца (около 6000 К), свет ламп накаливания содержит гораздо больше красно-жёлтой составляющей, чем голубой и синей, в то время как спектр дневного солнечного света, прошедшего сквозь атмосферу, в видимой области весьма ровный: в нём более-менее равномерно представлены все цвета радуги с нерезким максимумом в жёлто-зелёной области (в чистом солнечном свете, в космосе, максимум выражен более резко). Схематически спектры солнечного света и лампы накаливания изображены на рисунке 15. Нехватка голубой составляющей света будет существенна, если пытаться заменить дневное освещение обычными лампами накаливания (например, в условиях полярной зимы) – человек начнёт испытывать «световое голодание» и недостаток гормона серотонина.

Световой поток ламп накаливания всегда пульсирует, они ведь питаются переменным напряжением сети. Нить накала нагревается то сильнее, то слабее, но сильно изменить свою температуру она не успевает благодаря быстрому изменению питающего напряжения и тепловой инерционности. Для самых распространённых ламп мощностью 60–100 Вт, подключенных к сети напряжением 220 В, коэффициент пульсаций находится в диапазоне 10–15 %, причём чем больше мощность лампы, тем меньше К_П. Это понятно: ведь в более мощных лампах нить накала толще, то есть массивнее, а значит, лучше сохраняет свою температуру. У 40-ваттных ламп накаливания пульсации достигают уже 20 %. Сильно смягчает обстоятельство тот факт, что форма пульсаций света у ламп накаливания гладкая, близкая к синусоидальной, без резких скачков, в отличие от пульсаций люминесцентных ламп и дешевых светодиодов. Поэтому влияние пульсаций лампы накаливания на мозг при одной и той же величине К_П существенно меньше, чем у других типов ламп. По этой причине и нормы по ограничению пульсаций во времена царствования ламп накаливания не вводились.