Электровакуумные приборы: принцип работы, примеры. Лампочки накаливания Томаса Эдисона
Своим появлением современные электровакуумные приборы обязаны американскому изобретателю Томасу Эдисону. Именно он разработал первый удачный способ освещения, используя для этого электрическую лампочку.
История создания лампы
В настоящее время с трудом верится, что электричество существовало далеко не во все исторические периоды. Первые лампочки накаливания появились только в конце девятнадцатого века. Эдисону удалось разработать модель лампочки, в которой располагались угольные, платиновые, бамбуковые нити. Именно этого ученого по праву называют «отцом» современной электрической лампы. Им была упрощена схема лампочки, существенно снижена стоимость продукции. В результате на улицах появилось не газовое, а электрическое освещение, а новые осветительные приборы стали именовать лампами Эдисона. Томас на протяжении длительного времени работал над усовершенствованием своего изобретения, в итоге применение свечей стало нерентабельным мероприятием.
Принцип работы
Какое устройство имеют лампочки накаливания Эдисона? В каждом приборе есть тело накала, стеклянная колба, основной контакт, электроды, цоколь. У каждого из них есть свое функциональное предназначение.
Суть работы данного устройства заключается в следующем. При сильном нагревании тела накала потоком заряженных частиц, происходит превращение электрической энергии в световой вид.
Для того чтобы излучение мог воспринимать человеческий глаз, необходимо достичь температуры не меньше 580 градусов.
Среди металлов максимальной температурой плавления обладает вольфрам, поэтому именно из него изготавливается тело накала. Для уменьшения объема проволоку стали располагать в виде спирали.
Несмотря на высокую химическую стойкость вольфрама, для его максимальной защиты от процесса коррозии тело накала размещается в герметичном стеклянном сосуде, из которого предварительно выкачан воздух. Вместо него в колбу закачивается инертный газ, который не дает вольфрамовой проволоке вступать в реакции окисления. Чаще всего в качестве инертного газа применяется аргон, иногда используют азот или криптон.
Суть изобретения Эдисона в том, что испарению, происходящему при длительном нагревании металла, препятствует давление, создаваемое инертным газом.
Особенности лампы
Существует довольно много разных ламп, предназначенных для освещения большой площади. Особенность изобретения Эдисона в возможности корректировать мощность данного прибора с учетом освещаемой площади.
Производители предлагают разные виды ламп, отличающихся по сроку службы, размерам, мощности. Остановимся на некоторых видах этих электрических приборов.
Самые распространенные вакуумные лампы – ЛОН. Они в полной мере соответствуют гигиеническим требованиям, а средний срок их службы составляет 1000 часов.
Среди недостатков ламп общего назначения выделим низкий коэффициент полезного действия. Примерно 5 процентов электрической энергии переходит в световую, остальные выделяются в виде тепла.
Прожекторные лампы
Они имеют достаточно высокую мощность, предназначены для освещения больших площадей. Электровакуумные приборы подразделяют на три группы:
- кинопроекционные;
- маячные;
- общего назначения.
Прожекторный световой источник отличается длиной тела накала, у него более компактные размеры, что позволяет усиливать габаритную яркость, улучшать фокусировку потока света.
Зеркальные электровакуумные приборы имеют светоотражающий алюминиевый слой, иную конструкцию колбы.
Та ее часть, которая предназначена для проведения света, изготовлена из матового стекла. Это позволяет делать свет мягким, снижать контрастные тени от различных предметов. Такие электровакуумные приборы применяют для интерьерного освещения.
Внутри галогенной колбы находятся соединений брома либо йода. Благодаря их способности выдерживать температуры до 3000 К, эксплуатационный срок ламп составляет около 2000 часов. Но и в этом источнике белого света существуют свои недостатки, например, галогенная лампа, имеет невысокое электрическое сопротивление при остывании.
Основные параметры
В лампе накаливания Эдисона вольфрамовая нить располагается в разной форме. Для стабильной работы такого прибора необходимо напряжение 220 В. В среднем срок ее эксплуатации составляет от 3000 до 3500 часов. Учитывая, что цветовая температура 2700 К, лампа обеспечивает белый теплый либо желтый спектр. В настоящее время предлагаются лампы с разными размерами цоколей (Е14, Е27). При желании можно подобрать в потолочную люстру либо настенный осветительный прибор лампу в виде шпильки, елочки, спирали.
Изобретение Эдисона поделено по числу вольфрамовых нитей на отдельные классы. От этого показателя напрямую зависит стоимость осветительного прибора, его мощность, эксплуатационный срок.
Принцип работы ЭВЛ
Термоэлектронная эмиссия заключается в испускании нагретым телом накала электронов в вакуум или инертную среду, создаваемую внутри колбы. Для управления потоком электронов используется магнитное либо электрическое поле.
Термоэлектронная эмиссия позволяет практически использовать положительные качества электронного потока – генерировать, усиливать электрические колебания различной частоты.
Особенности радиоламп
Электровакуумный диод – основа радиотехники. В конструкции лампы есть два электрода (катод и анод), сетка. Катод обеспечивает эмиссию, для этого слой вольфрама покрывается барием или торием. Анод выполняется в виде пластины из никеля, молибдена, графита. Сетка является разделителем между электродами. При нагревании рабочего тела из движущихся частиц создается мощный электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы данного вида составляют основу радиотехники. Во второй половине прошлого века электровакуумные лампы использовались в разнообразных сферах технической, радиоэлектронной промышленности.
Без них невозможно было изготовить радиоприемники, телевизоры, специальное оборудование, вычислительные машины.
Сферы применения
По мере развития точного приборостроения, радиоэлектроники, эти лампы потеряли свою актуальность, перестали применяться в больших масштабах.
Но и в настоящее время есть такие промышленные направления, в которых требуются ЭВЛ, ведь только вакуумная лампа способна обеспечить работоспособность приборов по заданным параметрам, в определенной среде.
Особый интерес ЭВЛ представляют для военно-промышленного комплекса, поскольку именно вакуумные лампы отличаются повышенной стойкостью к электромагнитным импульсам.
В одном военном аппарате может содержаться до сотни ЭВЛ. Большая часть полупроводниковых материалов, РЭК не может функционировать при повышенной радиации, а также в условиях естественного вакуума (в космосе).
ЭВЛ способствуют повышению надежности и долговечности спутников и космических ракет.
Заключение
В электровакуумных приборах, которые позволяют генерировать, усиливать, преобразовывать электромагнитную энергию, рабочее пространство полностью освобождено от воздуха, отгорожено от атмосферы непроницаемой оболочкой.
Открытие термоэлектронной эмиссии способствовало созданию простой двухэлектродной лампы, названной вакуумным диодом.
При его включении в электрическую цепь внутри прибора появляется ток. При изменении полярности напряжения он исчезает, причем независимо от того, насколько нагревается катод. При поддержании постоянного значения температуры нагретого катода удалось установить прямую зависимость между анодным напряжением и силой тока. Полученные результаты стали применяться при разработке электронных вакуумных приборов.
Например, триод представляет собой электронную лампу, имеющую три электрода: анод, термоэлектронный катод, управляющую сетку.
Именно триоды стали первыми устройствами, применяемыми для усиления электрических сигналов в начале прошлого века. В настоящее время на смену триодам пришли полупроводниковые транзисторы. Вакуумные триоды применяются только в тех областях, где необходимо преобразование мощных сигналов при незначительном количестве активных компонентов, а массой и габаритами можно пренебречь.
Мощные радиолампы сравнимы с транзисторами по коэффициенту полезного действия, надежности, но срок их службы значительно меньше. У маломощных триодов большая часть накала уходит на потребляемую каскадную мощность, иногда ее величина доходит до 50%.
Тетроды представляют собой электронную двухсеточную лампу, которая предназначается для увеличения мощности и напряжения электрических сигналов. Эти устройства имеют больший коэффициент усиления в сравнении с триодом. Подобные конструкционные особенности позволяют применять тетроды для усиления низких частот в телевизорах, приемниках, иной радиоаппаратуре.
Потребители активно используют лампы накаливания, в которых телом накала является вольфрамовая спираль или проволока. Эти приборы имеют мощность от 25 до 100 Вт, их эксплуатационный срок составляет 2500-3000 часов. Производители предлагают лампы с разным цоколем, формой, размерами, поэтому можно подобрать вариант лампы с учетом особенностей осветительного прибора, площади комнаты.