Несмотря на активное наступление энергосберегающих лампочек, лампы накаливания так и остаются на сегодняшний день самым распространенным источником света. Принципиальная конструкция электрической лампы накаливания не меняется уже более 100 лет и состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей тонкую спираль нити накала от воздействия окружающей среды. Принцип работы ламп накаливания основан на оптическом излучении, получаемом от разогретого до высокой температуры проводника, находящегося в инертной среде. Первый электрический источник света – электрическая дуга была зажжена в 1802 г русским ученым В.В. Петровым. В качестве источника тока он использовал огромную аккумуляторную батарею из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров использовал пару угольных стержней, подключенных к разным полюсам гальванической батареи. При сближении концов стержней на близкое расстояние, происходил пробой воздушного промежутка электрическим разрядом, концы стержней при этом раскалялись добела, и между ними появилась огненная дуга. Использовать такую лампу было тяжело - угольные стержни сгорали быстро и неравномерно, а дуга выдавала слишком жаркий и яркий свет.
Александр Николаевич Лодыгин в 1872 году подал заявку, а затем получил патент (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал сначала в России, а затем также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В 1875 г лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге, который удостоился чести стать первым в мире магазином с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. Лампочки Лодыгина служили около двух месяцев, пока не сгорали угольки (в новой лампе Лодыгина таких угольков было четыре -когда один уголек перегорал, на его место заступал другой).
Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» - «русский свет».
Тем не менее изобретателем современной электрической лампочики называют Томаса Эдисона. 1 января 1880 г. в Менло-Парке (США) была проведена демонстрация электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном, на которой присутствовали три тысячи человек. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования: он добился значительно удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая.
Эдисоном был сконструирова всем известный резьбовой цоколь современных ламп, который назван в его честь. В наши дни от полного названия сохранилась только первая буква "E" в его обозначении. Кроме того, Эдисон предложил и систему производства и распределения электроэнергии для освещения. Совершенствование лампы накаливания идет и по сей день. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - сначала из осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Для снижения испарения и повышения прочности начиная с 1910-х годов, металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали. Для того, чтобы испарения металла не оседали на стекле колбы ее стали наполнять азотом или инертными газами. Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Развитие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накаливания.
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Так как стоимость потребленной за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается, и лампа выходит из строя.
Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска.
Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.
Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети.[13] Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.
Нить накала
Нить накала в первых лампах делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U•I, или P=U2/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон.
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять — четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мигающем режиме.
Буферный газ
Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)
Цоколь
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.
Предохранитель
Перегорание лампы происходит во время её работы, то есть в то время, когда одновременно нить накала нагрета и через нить протекает электрический ток. Если в это время происходит разрыв нити, то между разведёнными концами нити обычно загорается электрическая дуга. В быту это можно заметить по яркой синевато-белой вспышке в момент перегорания лампы.
Поскольку нить, как правило, представляет собой относительно тонкий провод, свёрнутый в спираль, то электрическое сопротивление нити может быть бо?льшим, нежели сопротивление ионизированного газа в дуге. Поэтому концы дуги начинают разбегаться от места разрыва нити, а сила тока в цепи возрастает.
При дальнейшем развитии этого процесса дуга может загореться уже между держателями нити, сопротивление которых относительно мало, в результате сила тока в питающей цепи может намного превысить допустимые пределы, что приведёт либо к срабатыванию предохранителей в питающей цепи, либо к перегреву питающих проводов, что, возможно, спровоцирует пожар.
Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.