Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
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.
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
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.