Как работает лампочка - физика света

Статья обновлена: 18.08.2025

Обычная электрическая лампочка – одно из самых привычных изобретений, без которого сложно представить современную жизнь.

Каждый раз, когда мы щёлкаем выключателем, внутри неё происходит сложный физический процесс, превращающий электричество в свет.

Понимание основных принципов работы лампы накаливания помогает не только удовлетворить любопытство, но и объясняет её устройство, эффективность и ограничения.

Нить накаливания: преобразование тока в свет и тепло

Нить накаливания представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, преимущественно вольфрама. При прохождении электрического тока через нить возникает явление электрического сопротивления, препятствующего свободному движению электронов. Это сопротивление преобразует электрическую энергию в тепловую по закону Джоуля-Ленца, вызывая быстрый нагрев металла до экстремальных температур.

При достижении температур 2200-3000°C вольфрамовая нить начинает испускать электромагнитное излучение в видимом спектре за счет теплового излучения. Физическая основа этого явления – переход электронов атомов вольфрама на более высокие энергетические уровни при нагреве с последующим излучением фотонов при возвращении в основное состояние. Однако лишь 5-10% энергии преобразуется в видимый свет, тогда как остальная часть выделяется в виде инфракрасного излучения (тепло).

Факторы эффективности преобразования

Ключевые параметры, влияющие на светоотдачу:

Температура нити: световая отдача растет с повышением температуры, но ограничена температурой плавления вольфрама (3422°C)
Конструкция спирали: двойная или тройная спираль увеличивает длину нити при компактных размерах, повышая сопротивление
Инертный газ в колбе (аргон, криптон) замедляет испарение вольфрама, позволяя увеличить рабочую температуру

Эффективность лампы существенно ограничена физикой теплового излучения: максимум спектра приходится на инфракрасную область, тогда как человеческий глаз чувствителен лишь к узкому видимому диапазону. Этим объясняется высокое тепловыделение и низкий КПД классических ламп накаливания по сравнению с современными источниками света.

Роль вакуума и инертных газов в колбе лампы

Основная функция колбы лампы накаливания – изоляция раскалённой вольфрамовой нити от окружающего воздуха. Без такой защиты нить мгновенно окислится и перегорит, так как вольфрам при высоких температурах активно взаимодействует с кислородом воздуха. Изначально для решения этой проблемы из колбы откачивали воздух, создавая вакуум.

Однако вакуум имеет существенный недостаток. При экстремально высоких температурах нити (2200-2700°C) атомы вольфрама постепенно испаряются с её поверхности (термическое испарение). В вакууме этим испарившимся атомам нечего противопоставить, они беспрепятственно оседают на более холодных стенках колбы, вызывая её потемнение и приводя к постепенному истончению нити, что в итоге становится причиной её обрыва.

Преимущество инертных газов

Для борьбы с испарением вольфрама в колбу вместо вакуума стали закачивать инертные газы (аргон, азот, криптон или их смеси). Эти газы химически инертны – они не реагируют с раскалённым вольфрамом даже при высоких температурах. Их роль заключается в следующем:

Снижение скорости испарения вольфрама: Молекулы газа создают противодавление, затрудняя выход атомов вольфрама с поверхности нити.
Конвективный теплоотвод: Циркулируя внутри колбы, газ уносит часть тепла от нити, помогая распределять температуру. Это позволяет повысить рабочую температуру нити (и, следовательно, световую отдачу) без пропорционального увеличения скорости её испарения.

Выбор конкретного газа или смеси зависит от компромисса между стоимостью и эффективностью:

Газ	Теплопроводность	Эффективность замедления испарения	Стоимость
Азот (N₂)	Выше	Ниже	Низкая
Аргон (Ar)	Ниже	Выше, чем у азота	Низкая
Криптон (Kr)	Значительно ниже	Намного выше	Высокая

Использование инертного газа под давлением (обычно 70-80% атмосферного) значительно замедляет процесс испарения вольфрама. Это позволяет нити работать при более высоких температурах (давая более яркий и белый свет) и существенно продлевает срок службы лампы по сравнению с вакуумными лампами.

Закон Джоуля-Ленца: почему проводник нагревается от тока

При прохождении электрического тока через проводник происходит преобразование энергии упорядоченного движения заряженных частиц (электронов) в тепловую энергию кристаллической решётки материала. Это явление возникает из-за столкновений электронов с ионами вещества, составляющими его атомную структуру.

Каждое такое столкновение приводит к передаче кинетической энергии от движущегося электрона к иону, усиливая его тепловые колебания. Чем чаще происходят столкновения и чем больше энергия, передаваемая при каждом взаимодействии, тем интенсивнее нагревается проводник. Этот процесс описывается количественно законом Джоуля-Ленца.

Математическое выражение закона

Количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике за время t, определяется тремя ключевыми параметрами:

Сила тока (I): Чем выше ток, тем больше электронов участвует в движении и столкновениях.
Сопротивление проводника (R): Зависит от материала, длины и сечения. Большее сопротивление означает более интенсивное торможение электронов.
Время протекания тока (t): Чем дольше течёт ток, тем больше суммарная энергия преобразуется в тепло.

Формула закона Джоуля-Ленца выражается как: Q = I² × R × t. Это означает:

Выделение тепла пропорционально квадрату силы тока (удвоение тока увеличивает нагрев в 4 раза).
Прямо пропорционально сопротивлению проводника (удвоение сопротивления удваивает нагрев).
Прямо пропорционально времени протекания тока.

Мощность тепловыделения (P), то есть теплота в единицу времени, рассчитывается как: P = I² × R или P = U × I (где U – напряжение на участке цепи).

Фактор	Влияние на тепловыделение	Пример
Увеличение силы тока (I)	Резкий рост (Q ~ I²)	Ток 2А выделяет в 4 раза больше тепла, чем ток 1А
Увеличение сопротивления (R)	Прямой рост (Q ~ R)	Никелиновый провод нагревается сильнее медного при одинаковом токе
Увеличение времени (t)	Прямой рост (Q ~ t)	Лампочка за 10 минут нагреется больше, чем за 1 минуту

В лампе накаливания данный принцип используется целенаправленно: тонкая вольфрамовая нить с высоким сопротивлением раскаляется током до свечения. Однако в электротехнике перегрев проводов из-за закона Джоуля-Ленца может вызывать повреждения изоляции или возгорание, поэтому сечение кабелей подбирают согласно ожидаемой нагрузке для ограничения сопротивления и тепловыделения.

Механизм перегорания вольфрамовой нити в лампах накаливания

Перегорание вольфрамовой нити происходит из-за постепенного истончения материала под действием высоких температур. При прохождении электрического тока нить нагревается до 2200–3000°C, вызывая испарение атомов вольфрама с её поверхности. Этот процесс особенно интенсивен в самых горячих участках, где сопротивление выше или диаметр нити меньше.

Испарение ведёт к локальному уменьшению толщины нити, повышая удельное сопротивление и температуру в этих зонах. Образуются слабые места, где металл становится тоньше и хрупче. При включении лампы возникает резкий скачок тока (в 10–15 раз выше рабочего), создающий термический удар.

Ключевые факторы разрушения

Термическая усталость: Циклы нагрева/охлаждения при включении/выключении создают механические напряжения из-за теплового расширения и сжатия.
Горячие точки: Неравномерная структура нити или микротрещины приводят к локальному перегреву.
Деформация кристаллической решётки: Длительный нагрев вызывает рост кристаллов вольфрама, делая материал хрупким.

Критическое истончение нити в сочетании с ударной нагрузкой при старте приводит к разрыву в наиболее ослабленной точке. Это сопровождается вспышкой электрической дуги в колбе, мгновенно расплавляющей концы нити.

Список источников

Физические основы электротехники и принципы преобразования энергии.

Конструктивные особенности современных осветительных приборов.

Учебник по общей физике (раздел "Электричество и магнетизм")
Научно-техническая энциклопедия "Электрические источники света"
ГОСТ Р 52706-2007 "Лампы электрические. Термины и определения"
Монография "История изобретений: от угольной дуги до светодиода"
Техническая документация производителей осветительного оборудования
Научные публикации журнала "Светотехника"
Электронные ресурсы образовательных проектов по физике