Изобретена лампа накаливания

Электрическое сопротивление зачастую очень вредно, поскольку поглощает колоссальное количество энергии. Трудно вообразить, сколько драгоценного электричества, получаемого с таким трудом, расходуется впустую — превращается в теплоту, идущую на бесцельный нагрев проводов. Вредная работа электрического тока, однако, нашла свое применение во многих устройствах. В первую очередь это касается такой бытовой техники, как электрообогревательные приборы, чайники, утюги, кипятильники, титаны.

Здесь перевод тока в теплоту не только оправдан, но и необходим. Можно подумать, что в таких устройствах сопротивление материала стремится к бесконечности. Таким образом, движение электронов внезапно прекращается, и они отдают всю свою энергию. Но на самом деле этого не происходит. Если бы движение электронов было приостановлено, то цепь мгновенно оказалась бы разорванной, а прибор отключенным. Произошло бы самоотключение. Однако в действительности ток все равно продолжает течь через прибор, преодолевая его колоссальное сопротивление.

Есть и более оригинальные способы применения вредного электрического сопротивления в современной бытовой технике. Во-первых, это различные реостаты, т. е. переменные сопротивления, которые используются в электронике в качестве основного устройства для переключения режима работы. Скажем, ручки для регулировки громкости связаны с реостатом. Благодаря изменению сопротивления цепи происходит изменение в ней силы тока, соответственно меняется и величина производимой устройством работы. Во-вторых, это осветительные приборы, в которых используются лампы накаливания.

Использовать электричество для освещения впервые начали в 1860-х гг., однако применялись такие осветительные приборы только на маяках. В быту и на предприятиях использовать первые лампы было крайне неудобно. Дуговая лампа представляла собой электрическую дугу, открытую в 1812 г. англичанином Дэви. Однако на самом деле первую электрическую дугу создал русский изобретатель В. В. Петров в 1803 г. На его книгу в России не обратили внимания, а за рубежом она была неизвестна, т. к. технических переводчиков с русского языка в то время за границей не было. Поэтому значение для дальнейшего развития электротехники имела именно лампа Дэви. К сожалению, ее приходилось часто регулировать. По мере выгорания углей, между которыми горела электрическая дуга, их концы расходились слишком далеко. Увеличение расстояния приводило к разрыву в цепи и прекращению работы лампы. Дуга гасла. Дуговую лампу значительно усовершенствовал другой выдающийся русский изобретатель П. Н. Яблочков. В 1876 г. он запатентовал свое изобретение — продукт многолетних трудов. Детище ученого получило в технике название свечи Яблочкова.

Угли (электроды) здесь были направлены не навстречу друг другу, а шли параллельно. Между этими электродами находилась прослойка изолирующего вещества, сгоравшего вместе с углями. Дуговое горение протекало на концах электродов и было направлено сверху вниз, причем угли не расходились. Они всегда были удалены на одинаковое расстояние, определяемое толщиной изоляционной прослойки. Далекие от физики люди именовали изобретение «русским светом». «Русский свет» использовался во всех странах Европы, а также в США и некоторых азиатских государствах.

Лампа накаливания устроена по совершенно другому принципу. В ней используется сопротивление металлического проводника, нагреваемого электрическим током до высокой температуры, при которой металл начинает светиться, т. е. испускать электромагнитные волны видимого диапазона. Свечение является попыткой вещества избавиться от избыточной тепловой энергии. Всякое обладающее температурой тело что-то излучает. В большинстве случаев это инфракрасные лучи и радиоволны, однако высокие температуры заставляют вещество испускать видимый свет и ультрафиолетовые лучи.

Создателем лампы накаливания является русский инженер А. Н. Лодыгин. Он сконструировал свою лампу в начале 1870-х гг. В 1873 г. изобретатель провел публичные испытания своего детища, а в 1874 г. был награжден за это изобретение Ломоносовской премией Академии наук. На Западе получили распространение «фонари Эдисона», разработанные независимо от Лодыгина в 1879 г. знаменитым американским изобретателем и бизнесменом Т. А. Эдисоном.

Этот удивительный человек не занимался наукой профессионально, но был изобретателем-любителем. И вместе с тем он обладал огромными техническими знаниями и увековечил свое имя, создав немало разных прогрессивных устройств. Эдисон считал изобретательство родом предпринимательства и направлял свои занятия физикой и техникой на получение прибыли. Из-за этого научный мир относился к гению с недоверием.

Нужно заметить, что лампы Лодыгина и Эдисона, а также последующие поколения электрических лампочек выпускались пустотными, т. е. из их баллонов выкачивался воздух. Нить накала появилась впервые в лампе Эдисона. Эта нить представляла собой металлическую дугу. Современные электролампы существенно отличаются от своих предшественниц. Если внимательно рассмотреть содержимое стеклянного баллона электрической лампочки, то можно заметить, что спираль, или т. н. нить накаливания, крепится на молибденовых крючочках, которые установлены на тоководы из никелевого сплава. Молибден способен стойко выдерживать высокие температуры, что и определило выбор материала.

Сама нить, являющаяся рабочей частью лампочки, изготовляется из самого тугоплавкого металла в природе — вольфрама. Температура его плавления равна +3420 °C. Как только на спираль поступает ток, она под его тепловым действием раскаляется добела. Диаметр нити и ее протяженность подобраны таким образом, чтобы нагрев материала был максимальным, поскольку от этого зависит яркость лампочки. Вместе с тем размеры нити достаточно велики и не дают ей мгновенно испариться от собственной же температуры, которая поддерживается на уровне +2700 °C.

По нелепому недоразумению принято считать, будто современные лампы накаливания пустотные. На самом деле вакуумные лампы уже давно не создаются. Причиной тому служит тот факт, что они быстро перегорают. Внутри лампы создается низкое давление, чтобы нагреваемый металл медленнее испарялся. Однако это давление вовсе не стремятся довести до высокого вакуума. Производителей ламп больше всего настораживает не давление воздуха, но давление паров самого вольфрама. Эти пары образуются под действием высокой температуры, до которой разогревается нить накаливания.

Естественно, оставлять в лампе воздух неразумно, т. к. активный кислород легко вступит в реакцию с раскаленным вольфрамом. Поэтому воздух из лампочек действительно выкачивают, чтобы затем заправить стеклянный баллон неактивным газом при низком давлении. Этот газ препятствует образованию паров вольфрама, давление которых вызовет ускоренное перегорание спирали. В прежние времена, когда в ходу были пустотные лампы, проблему решали уменьшением их светимости. На нить подавалась меньшая нагрузка, отчего вольфрам медленнее испарялся, но и светился тусклым красноватым светом.

Сейчас яркость электролампочек удалось повысить, одновременно продлив срок их службы, посредством неактивного газа-наполнителя. В роли такого газа не так давно выступал чистый азот, а в последние 15 лет исключительно азотокриптоновая или азото-аргоновая смесь. Последняя, содержащая 86 % аргона, применяется наиболее часто. Криптон добавляют в лампы-«грибки», что делает их вдвое долговечнее аргоновых лампочек. Важным достоинством криптона являются его тепловые свойства, которые позволили уменьшить размер стеклянного баллона таких ламп.

Еще одним способом продлить срок работы лампочки является применение галогенной смеси. То есть баллон галогенных ламп заполняют смесью неактивного азота и какого-нибудь газа из группы галогенов. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого добавочного наполнителя используется йод. Вообще-то, металлический вольфрам реагирует с газообразным йодом уже при температуре +700 °C, но именно активная реакция этих двух веществ необходима производителям лампочек.

Галогены обладают одной интересной особенностью. Они настолько активны, что вступают в реакцию не только с вольфрамом нити, но и с испарившимся металлом, осевшим в виде кристаллов на внутренней поверхности баллона. В результате атомы йода превращаются в транспортную систему, которая захватывает вольфрамовые пары и осадок и возвращает атомы металла обратно в нить. Работает же эта транспортная система исключительно благодаря кислороду. Он в малых долях, в качестве побочной примеси присутствует в газовой среде галогенной лампочки, образуя молекулы оксид-йодида вольфрама. Эти молекулы в конечном итоге и нужно считать переносчиками атомов металла.

Галогенные лампы изобретены в 1949 г., но до недавнего времени принцип их действия понимался неправильно. В конце концов физики пришли к выводу, что галогенные лампы работают в обход всех законов природы. Лишь развитие технологий очистки металлов (титана, гафния, ниобия и т. д.) посредством галогенов, а также более глубокие изучения сложной природы переходного металла вольфрама дали ответ на вопрос, почему же светят удивительные лампочки.

Одним из плюсов галогенных лампочек, кроме длительного срока исправной службы, следует назвать их компактность и мощность. Температура нити накаливания достигает в таких лампочках +3000 °C, что соответственно вдвое увеличивает их светимость. Автомобильные фары, фонарики для подсветки витрин, лампы кино- и диапроекторов наполнены йодистой смесью, потому что от этих источников света требуется большая яркость, долговечность и малые размеры.

Что касается мощности электрической лампы, то она также высчитывается посредством замера сопротивления и силы тока. Мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление. Величина удельного электрического сопротивления вольфрама очень низка, она равняется всего 0,055 мкОм?м (микроом-метр). Более низкое значение имеют некоторые другие металлы, но их использовать невыгодно. Скажем, алюминий (0,028 мкОм?м) слишком легкоплавкий.

Эта же формула объясняет причину, по которой лампочки перегорают. Толщина спирали неодинакова на всем ее протяжении, и ее разрыв происходит, разумеется, в самом тонком месте. Пословица гласит в таком случае: «Где тонко — там и рвется». А вот физика объясняет, почему рвется тонкий участок нити накала. Поскольку сопротивление проводника напрямую зависит от площади его поперечного сечения, то нетрудно понять, что в тонком участке сопротивление резко увеличивается. Одновременно растет и мощность тока. Естествен но, с повышением мощности степень нагрева тонкого участка также возрастает. Этот участок активнее разрушается и в конечном итоге оплавляется, что приводит к разрыву нити.

Заканчивая рассказ о проводящих свойствах материалов, нельзя не затронуть явление сверхпроводимости. Обычно физики в широкой печати сетуют на то, что их преследуют неудачи в изучении секретов сверхпроводимости. В связи с этим далекие от физико-технических наук читатели обычно заключают, что сверхпроводящие материалы появятся лишь в далеком будущем, а пока являются чем-то из области фантастики.

В действительности же в наши дни многие загадки феномена сверхпроводимости разгаданы, получены некоторые необычные материалы, применяемые в современной технике. Получение таких материалов затруднено, поэтому они и не имеют широкого распространения. Но в любом случае недооценивать возможности науки нельзя. На сегодняшний день получены низкотемпературные, высокотемпературные и керамические сверхпроводники. К низкотемпературным относятся почти все виды данных проводящих материалов.

Высокотемпературные представлены несколькими веществами, в первую очередь сплавом из германия и ниобия, который проявляет сверхпроводящие свойства при температуре -251 °C. Он обозначает нижнюю температурную границу, а верхнюю границу физики желают поднять как можно выше. С 1987 г. ученые нашли немало материалов, которые становятся сверхпроводящими при температуре всего -148 °C. Керамические сверхпроводники были открыты в 1986 г. швейцарскими физиками. Это вещества группы металл оксидных керамик, которые начинают беспрепятственно пропускать ток при высоких температурах, около -230 °C.

Подобные материалы служат главным образом науке. На ускорителях заряженных частиц на питание магнитов затрачивается большая энергия, которая могла бы использоваться в других целях. Сверхпроводящие магниты обладают колоссальной мощностью при меньших энергетических затратах. Созданы диагностические медицинские приборы — компьютерные томографы, в которых применяется т. н. ядерно-магнитный резонанс. Магнитное устройство томографа, изготовленное из обычных проводников, делало бы его слишком громоздким и совершенно неудобным для работы врачей. Сверхпроводящие материалы обеспечили необходимую компактность и доступность универсального средства диагностики.

Во многих странах создаются экспериментальные «левитирующие» поезда на магнитной подвеске. Они разработаны специалистами Японии, США, Канады, Германии и Франции. Это сверхскоростные транспортные средства, движущиеся без трения. Они летят над монорельсом за счет магнитных сил, удерживающих их в воздухе и ведущих вперед.

Естественно, чудо-магнит удалось создать благодаря применению сверхпроводников. Магнитная подвеска для такого поезда должна обладать свойством сверхпроводимости. Еще в 1913 г. удалось установить, что сверхпроводящие материалы боятся интенсивных магнитных полей, но стремятся вытеснить их. Приближая к сверхпроводнику магнит, можно возбудить в поверхностном слое первого незатухающие токи. Они заэкранируют внешнее магнитное поле и заставят магнит висеть над проводником.

Другим замечательным применением сверхпроводимости в науке стало создание высокочувствительных приборов — измерителей напряженности магнитного поля, т. н. СКВИДов. Поскольку сверхпроводники стремятся заэкранировать внешнее магнитное поле, то они на него очень чутко реагируют. Магнитное поле проникает внутрь замкнутого проводника постепенно, квантами. Квант, как известно, является чрезвычайно малой величиной. Вот почему чувствительность СКВИДов очень велика. Они способны зарегистрировать проникновение минимальной величины магнитного потока. Применение СКВИДов позволило точно замерить магнитные поля сердца и головного мозга человека, что было бы невозможным с применением обычной аппаратуры.

Одним из самых примечательных достижений будущего в области техники сверхпроводников станет постройка электронной вычислительной машины на подобных материалах. Сверхпроводящие элементы, используемые в ядре чипа, будут обладать многочисленными достоинствами. Во-первых, крайне низкое сопротивление току приведет к ничтожному выделению тепла. А именно высокое тепловыделение элементов микросхем препятствует повышению их компактности. Во-вторых, скорость переключения такого элемента составит всего 10¹¹ с, т. е. 10 миллиардных долей секунды! Сверхпроводящий компьютер будет отличаться высокой скоростью действия.