Знаете ли вы, что они верно служат нам полтора века? Верите ли вы, что они будут делать это и дальше? Они - это лампы накаливания, это один из способов преобразования электроэнергии в свет, существующий уже полтора века. Большую часть этого времени они были основным способом освещения, особенно в быту. Но эта статья - не дань уважения; причина ее написания и публикации сложнее и важнее. Физические исследования и публикации, книги и статьи по физике, можно разделить на две группы - "про законы" и "про объекты". Любой объект действует с соблюдением многих законов физики, и рассказывая об объекте, можно рассказать о многих законах. Среди законов есть такие, о которых можно рассказать, как говорится, "на пальцах". Так вот, лампы накаливания - это объект, рассказывая о котором можно рассказать "на пальцах" о нескольких законах. Попробуем это сделать.
Начнем с того, что исправные лампочки выглядят все одинаково, а вышедшие из строя, как говорят "сгоревшие", могут выглядеть четырьмя разными способами, показанными на рисунках 1, 2, 3, 4. Один вариант - чистый прозрачный баллон, другой - полупрозрачный и зеркальный, третий вариант - бело-желтый, четвертый - коричневый, причем с разводами. Внутри чистого баллона могут быть видны куски вольфрамовой спирали, по которой еще недавно шел ток, причем эти куски могут валяться свободно, могут болтаться, закрепленные за один конец к молибденовому токовводу, а могут быть приклеены (?!) изнутри к баллону - редкий случай, как раз и показанный на рисунке 1.
Рис. 1. Оборванная спираль висит, касаясь баллона
В этой статье все фотографии автора.
Рис. 2. Полупрозрачный и совсем почти не прозрачный зеркальный баллон
Рис. 3. Баллон с бело-желтым напылением
Рис. 4. Баллон с разводами
С клеем в лампу никто не лазил, так что единственный вариант - расплавление стекла. Если нить разрывается, то пока она падает на стекло, ее конец не успевает остыть до температуры, при которой стекло уже не плавится. Исходная температура нити - более 2000 ®С, размягчение стекла - ну, скажем, 500 ®С. Кстати, к кварцу нить тоже припаивается, а ведь кварц для этого надо нагреть, наверное, до 1500 ®С. На рисунке 5 - фотография галогеновой лампы (о ней ниже), нить оторвалась от вводов и упала на баллон. Темные полосы по обе стороны от бывшей нити - след от припайки нити к баллону.
Рис. 5. Галогеновая лампа, нить оборвалась и припаялась к баллону
Обратите внимание, что нить в данном случае оторвалась от обоих вводов. Это случай не слишком частый, но и не уникальный. Выглядит это странно, и вот почему. Если по какой-то причине нить рвется в одной точке, то ток должен прекращаться. Тогда нить должна перестать греться и нет причин для второго обрыва - даже если на нити есть еще одно "слабое место". Почему же нить рвется в двух местах?
По-видимому, процесс обрыва бывает устроен сложнее. В момент первого обрыва, когда нить в месте обрыва истончается, ее температура на какое-то мгновение резко возрастает, вольфрам испаряется, и происходит пробой в газе - смеси того газа, что был в лампе и паров вольфрама. Еще два фактора способствуют возникновению пробоя - малый зазор в момент разрыва (пробой начинается с ситуации, когда зазора вообще нет) и острый конец проволочки, то есть высокая напряженность поля.
Поэтому ток не прекращается сразу, наоборот - сопротивление плазмы пробоя в данном случае оказывается мало, ток на короткое время увеличивается и этого оказывается достаточно для второго перегорания. Кстати, именно в момент перегорания ламп накаливания иногда срабатывают предохранители, что как раз и говорит о броске тока. То, что там было существенное тепловыделение, привело к оплавлению токоподвода из молибдена, его температура плавления - 2660 ®С. На рисунке 6 - фотография именно этой ситуации. Видны оба токоподвода, в дальний зажат кончик нити, а ближний как раз и оплавлен - на его конце капля, там и был разрыв (видимо, из-за плохого контакта с нитью).
Рис. 6. Токоввод из молибдена (Мо), конец оплавлен.
Теперь обратимся к баллону. Самый простой - прозрачный, на нем нечего нет, то есть нить перегорела так быстро, что на баллон ничего не попало. Следующий вариант - "зеркало". Это тонкая пленка вольфрама - нить, нагретая до 2100-2600 ®С, испаряется, атомы, попутешествовав по газу, наполняющему баллон, оседают на стекле. Баллон наполнен инертными газами, не взаимодействующими с накаленным вольфрамом. Они уменьшают скорость испарения, причем чем больше атомный вес, тем скорость меньше (к сожалению, тем газ дороже). Испаряться может не только вольфрам, но и молибденовые держатели, если их соответственно нагреть. На рисунке 7 мы видим фотографию редкого случая - по оси лампы проходит стеклянный цилиндр, и то, то испарилось с держателей, осело на него, это зеркальные участки. Тонкий слое вещества, в том числе и металла, всегда полупрозрачен; в качестве примера в книжках приводится золото, подумайте, почему. Кстати, когда заходит речь о диффузии в твердых телах, то опять же упоминается золото и свинец, и по той же причине, вообще не связанной с диффузией.
Рис. 7. Молибден, напыленный на стекло
Цвет того, что осело на баллоне, зависит в данном случае от того, что это за вещество. Обычно пишут, что у вольфрама два оксида, желтый WO3 и коричневый WO2. На фотографиях мы видели бело-желтый и нечто вроде темно-коричневого. Какой оксид получается, зависит от того, много ли газа было в баллоне и с какой скоростью поступал туда (через трещинку) воздух. Разводы на баллоне - результат конвекции, то есть того, что газ перемещался в баллоне и переносил молекулы оксида. В более серьезных источниках пишут, что у вольфрама есть еще два оксида, синий и красно-фиолетовый (xumuk.ru/encyklopedia/814.html), так что у каких-то ситуациях могут появиться и другие цвета.
Есть еще одна причина, по которой оседание на баллоне может быть неравномерным, причем даже в вакуумной лампе, где нет газа, переносящего молекулы оксида. На рисунке 8, на фото мы видим лампочку, которая жила в холодильнике, а перегорела потому, что на баллон попала вода, из-за термических напряжений баллон треснул и внутрь попал кислород (который, как вы знаете, есть в атмосфере). Но почему баллон не равномерно белый, а участками? Возможно, потому, что снаружи кое-где была вода, она охлаждала баллон и оксид вольфрама конденсировался на холодном.
Рис. 8. Лампочка из холодильника, конденсация оксида на холодном
Цель нагрева нити - получить излучение, преобразовать электрическую энергию в излучение. Часть этого излучения приходится на диапазон, который видит глаз, то есть на свет. К сожалению, на видимую часть спектра приходится лишь несколько процентов, остальное - инфракрасное излучение, которое глаз не видит. Доля видимого излучения увеличивается с увеличением температуры нити, но с ростом температуры растет скорость испарения любого вещества. Соответственно, вольфрамовая нить испаряется быстрее и уменьшается срок службы. То, что лампа работает при указанных выше температурах, имеет еще некоторые неприятные следствия. Сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры, поэтому в момент включения лампа потребляет примерно в десять раз больший ток, чем при последующей работе. Этот импульс длится сотые доли секунды, и предохранители не успевают сработать. Но этот импульс вреден для ламп, и иногда они выходят из строя именно в момент включения. Возможно, это происходит, если нить изначально с дефектом, или она уже доработалась до дефекта - утоньшения, на котором из-за роста сопротивления выделяется повышенная мощность.
Заметим, что при включении электронагревателя или электрочайника такого броска тока нет. Их нагреватель работает при существенно меньшей температуре, поэтому в них применяется не вольфрам, а более дешевые материалы - сплавы железа, никеля, хрома и алюминия. У них выше сопротивление, что уже очень удобно, нить накала делается короче; вдобавок оно слабо зависит от температуры. Их, кстати, так и называют - сплавы сопротивления.
В баллоне лампы накаливания находится инертный газ - для уменьшения испарения вольфрама и увеличения срока службы. При этом увеличивается потребляемая лампой мощность - потому что теперь тепло отводится от нити не только излучением, но и конвекцией. Эта дополнительная мощность невелика, но знать об этом надо; и вообще в технике почти всегда так - улучшая один параметр, мы ухудшаем другой (например, стоимость). Поэтому инженер должен хорошо знать соответствующие разделы физики и условия применения того, что он создает.
Но есть особый класс ламп накаливания, так называемые галогеновые лампы или галогенки. В эти лампы добавляют галоген - бром или йод. Когда испарившиеся с нити атомы вольфрама оседают на баллон, пары галогена вступает с ними в реакцию, получается летучее соединение, то есть баллон очищен. Далее, это соединение разлагается на горячей нити, то есть вольфрам возвращен на нить. Это называется "газотранспортная реакция", таких реакций много, и для техники они важны. Например, газотранспортные реакции используются в полупроводниковой технике для очистки материалов. Но есть проблема - в данном случае для нее нужно, чтобы баллон был очень горячим. Поэтому не стекло, а кварц, и поэтому он приближен к нити - чтобы он нагревался ее излучением. Все гармонично, но раз не стекло, а кварц, то возникает одна новая проблема. У кварца очень низкий коэффициент термического расширения и приходится делать выводы в виде тонких ленточек из молибдена (рисунок 9), которые деформируются, "подчиняясь" кварцу и не требуя для деформации больших усилий.
Рис. 9. Галогенка во всей красе. В кварц впаяны не проволочки (как это делают с баллонами из стекла), а ленточки из весьма тонкой фольги
Нить накала в галогенной лампе имеет температуру более 2000 ®С, а кварц размягчается при 1500-1700 ®С, поэтому нить подвешивают на молибденовых спейсерах, дистанционерах - на рисунке 10, на фото слева. Но бывает, что их нет - рисунок 10 фото справа, и рисунок 11.
Рис. 10. Галогенки. Слева нить висит на специальных кольцах, спейсерах, а справа обошлись без них
Рис. 11. Галогенка. Решение, аналогичное показанному на рис. 10 справа
В этих двух случаях нить касается кварца, и возникает вопрос - почему он не плавится? Ответ на этот вопрос можно найти на одном их этих снимков, если посмотреть на него внимательно. В этих местах нить не в виде спирали, а одинокая нить - это сильно уменьшает температуру.
Лампы бывают странные, например, у этой лампы не два контакта, а три.
Рис. 12. Лампа накаливания с тремя выводами
Дело в том, что у этой лампы не одна спираль, а две. Раз у нее несколько спиралей, значит она может работать в нескольких режимах, потребляя разные мощности. Но в скольких разных режимах она может работать? Теоретически - в четырех, это вы наверно сами понимаете. А на практике - в трех; потому что если включить нити последовательно, температура упадет так, что почти все излучение будет в инфракрасном диапазоне.
А теперь мы обратимся к понятию КПД, коэффициента полезного действия. Сделаем мы это по двум причинам. Первая - это принципиально важный параметр для ламп. Вторая - это вообще для большинства того, что нас окружает, важный параметр. И даже, как мы в итоге поймем, для нас семих, для людей. Итак, кого зовут КПД, почему у лампы накаливания он зависит от того, для чего ее применять, и есть ли он у рычага и блока.
Пишут его именно так, прописными буквами, потому что он - аббревиатура, сокращение от "коэффициент полезного действия". В школьном учебнике он упоминается в разделе термодинамика, когда речь заходит о двигателях. Это устройства, в которое мы вводим тепловую энергию одном из трех способов. Первый способ - мы вводим в двигатель что-то горячее (воду, воздух), а достаем оттуда это уже холодное, так что тепло остается в устройстве. Это "что-то" называют "теплоноситель" - очень хорошее название. Второй способ - мы это что-то не вводим, но наше устройство контактирует с горячим и нагревается от него - например, когда мы моемся горячей водой. Третий способ, когда мы вводим в устройство вещества, которые выделяют тепло при каких-то физических или химических процессах. Так действует и бензиновый двигатель в автомобиле, и мы с вами, когда пьем горячий чай или кофе с сахаром (без сахара - это первый случай).
Что касается физических процессов, при которых выделяется тепло, то про некоторые из них вы, наверное, знаете, а про некоторые узнаете сейчас. Знаете про тепловыделение при фазовых переходах - при замерзании и конденсации. А узнаете про тепловыделение при ассоциации, объединении атомов в молекулы. Если мы возьмем какой-нибудь молекулярный газ, например, водород, и нагреем его так, что произойдет диссоциация, распад молекул на атомы, то потом, при обратном процессе, тепло будет выделяться. В технике это выделение тепла используется для сварки и пайки, называется это "атомно-водородная горелка". Мастера, которые работали вместе со мной, однажды разрешили мне подержать ее, работающую, в руках.
Все двигатели потребляют тепловую энергию и совершают работу - для этого они и предназначены, поэтому их так и называют. Но превращать всю энергию в работу они не могут. Отношение полезной работы к потребленной энергии и называется КПД. Работа и энергия имеют одинаковую размерность, Джоули (Дж), поэтому КПД - безразмерная величина.
Но само понятие КПД может применяться не только к двигателям, а ко всем ситуациям, когда мы тратим и получаем энергию в любом виде. Впервые я задумался об этом, когда много лет назад увидел рекламу комнатного нагревателя со словами про "высокий КПД" и задумался - а что, разве не всю энергию, потребленную из электрической сети, он тратит на нагрев воздуха? Увы, не всю. Солнце греет нас излучением, и вообще любое тело при любой температуре излучает. Излучает и пламя свечи, но, конечно, не так, как Солнце. Излучаете - не надо этого стесняться - и вы. Часть этого излучения мы видим (Солнце, пламя свечи), а часть не видим, - если температура тела низкая, то излучение невидимое, инфракрасное. Его называют "тепловое", хотя это название неудачное, потому что любое излучение можно назвать тепловым - поглотившись тем, до кого оно долетело, оно его нагревает.
Рис. 13. Спектр излучения
В этой статье все фотографии автора, кроме этой, она отсюда
https://pikabu.ru/@alivanich
Нагреватель греет воздух при контакте с ним ("кондуктивная теплопередача"), но часть энергии излучает. Это излучение частично поглощается воздухом, частично - окружающими предметами, а от них передается опять же в воздух. Однако есть два исключения - часть излучения поглощается стенами, а от них лишь часть возвращается в воздух, а часть тепла уходит в глубину стен. И часть излучения через стекла уходит в атмосферу, оно греет веселых синичек и деловитых ворон в моем дворе. Зато то тепло, которое выделяется в проводах и в моторе, который крутит вентилятор, и в самом воздухе в результате его перемещения, не пропадает зря - оно все в итоге достается воздуху, повышает его температуру.
Понятие КПД можно применить и к механическим процессам, вот примеры - подъем грузов, рычаг и блок. Понятно, почему при втаскивании груза по наклонной плоскости КПД < 1 - часть работы отъедается трением и превращается в тепло. Казалось бы, у рычага должен быть КПД = 1 (или, как говорят, 100 %) - пути и силы относятся, как длины плеч рычага, отсюда следует, что произведения силы на путь одинаковы. Но мы кое-чего не учли... не учли мы трения... трения в опоре рычага! Сила, которая давит на опору, равна сумме сил, действующих на плечи, то есть она больше веса груза, сила трения зависит от коэффициента трения, который не равен нулю, а путь зависит от конструкции опоры. Хочется сделать опору "острой", чтобы уменьшить путь точки опоры, а вместе с ним и работу этой силы. Но мы натыкаемся на ограничение по прочности - механические напряжения возрастут и разрушат материал. Несложный расчет, который вы можете сделать сами, покажет, что доля работы, которую вы вынуждены тратить из-за трения в опоре, составляет менее 1 %. Потери в блоке возникают, естественно, тоже из-за трения, причем и трения веревки о блок, но в основном - трения в оси блока.
Вот ситуация забавнее - просто подъем груза. Ну уж здесь-то куда деваться работе? В однородном гравитационном поле работа по подъему и увеличение потенциальной энергии (наш полезный результат) совершенно одинаковы. Но чтобы поднять груз на какую-то высоту, нам надо внизу придать ему какую-то скорость и надо растянуть веревку. На это мы и потратим дополнительную энергию. В принципе, наверху ее можно было бы как-то извлечь, как говориться, "рекуперировать". Но на практике этого никто не делает, это сложно, а выигрыш ничтожен.
А вот в электронике рекуперация используется, и очень широко. Существует множество электронных приборов, которые используют потоки электронов в вакууме. О некоторых таких приборах мы рассказывали ("Квант", 2025, ! 00) а сейчас нам важно вот что. Для того, чтобы прибор работал, нам надо сначала получить такой поток. Затратив на это, естественно, изрядную энергию. Потом мы делаем что-то с этим пучком (например, усиливаем или создаем электромагнитное поле), а что потом? Можно, конечно, просто направить пучок на металлический электрод, но тогда его энергия превратится в тепло и рентгеновское излучение. Во-первых, будут проблемы с охлаждением, а во-вторых попросту жалко. Так вот, электронные пучки удается тормозить, рекуперировать, забирая у них обратно часть (увы, не всю) энергии.
Рис. 14. Почему КПД < 1
Перемещение по вертикали может быть использовано для запасания (аккумуляции) энергии. А именно, предлагалось запасать энергию, закачивая насосами воду вверх, в водохранилища. В этом случае отличие КПД от единицы может быть связано с тремя процессами - испарением воды из водохранилища, диффузией воды в стенки и преодолением вязкости воды при закачке. С первыми двумя неприятностями есть относительно простые способы борьбы. Что касается вязкости воды, то пожарники используют добавки, чтобы струя била на большее расстояние ("скользкая вода"), но вряд ли это возможно в соответствующих масштабах.
Но все это - перемещение по вертикали, причем медленное, поэтому мы не учитывали сопротивление воздуха, то есть расход энергии на его перемещение. На это в основном тратится энергия у поезда, самолета и автомобиля, поэтому у "горизонтального" транспорта КПД ничтожно мал. С точки зрения физики, перемещаясь про горизонтали, мы вообще не делаем ничего хорошего. Если не считать полезным нагрев атмосферы. Некоторые поправки возникают, если пункты отбытия и прибытия находятся на разной высоте над уровнем моря, причем если мы едем в итоге в гору (из Петербурга в Москву), то КПД получается хоть маленький, но положительный, а если наоборот, так и вообще, отрицательный. Разумеется, мы еще греем рельсы, колеса и все, что трется, то есть в итоге греем воздух и землю.
Если в механике способ ускользать энергии, то есть превращаться в тепло, это трение, то в электричестве этот способ - сопротивление. Если не рассматривать сверхпроводники с их нулевым сопротивлением, то любой провод, по которому течет ток, греется и греет свое окружение. Но в нагревателях это было нашей целью, а теперь это помеха. Мотор, который поднимает кабину лифта, имеет КПД меньше единицы, потому что у него есть обмотки, по ним идет ток, и они греются. По тем же причинам греется любой трансформатор. Причем способов для перекачки электроэнергии в тепло у трансформатора не один, а три. Еще два - токи Фуко, то есть индукционные токи в сердечнике и потери на перемагничивание. С индукционными токами техника умеет бороться, например, собирая сердечник из тонких изолированных пластин, располагая их поперек направления токов. С потерями на перемагничивание ситуация сложнее.
А почему греются аккумуляторы при их зарядке и разрядке? Естественно, потому что у них есть внутреннее сопротивление. По этой же причине ни от батареек, ни от аккумуляторов (никогда их не путайте!) нельзя получить сколь угодно большие токи, и поэтому аккумуляторам может быть вреден заряд большими токами - тот самый быстрый заряд, который часто рекламируют. Во многих случаях он уменьшает "циклостойкость" - количество циклов, которое может отработать аккумулятор, не сильно ухудшив свои параметры. Если же речь идет не об аккумуляторах, а о батарейках, то "циклостойкость" не нужна. Но возможен перегрев с выходом из строя - вплоть до разрыва корпуса и разлета щелочи. Поэтому всегда экспериментируйте в защитных очках, а если вы этого не сделали, то что надо мгновенно сделать?
Ванная комната, кран, вода!
Поэтому всегда экспериментируйте в очках. Пальцев у нас десять, а глазок только два.
Возникает вопрос про электрических рыб. Морская вода, как известно, проводник - иначе электрические рыбы не могли бы пользоваться своим электричеством. Но раз она проводник, то не "закорачивает" ли их электрический орган, не вызывает ли большой ток и перегрев самой рыбки? Действительно, сопротивление нагрузки, то есть воды, оказывается меньше сопротивления рыбки, и в рыбке выделяется мощность. Но аккуратный расчет показывает, что даже при самых мощных разрядах нагрев рыбки оказывается не более десятой доли градуса. Потому, что электрический орган составляет малую долю всего объема живого существа.
С рыбой это сложная ситуация, но вот совсем простой случай. Предположим, что мы просто заряжаем конденсатор от аккумулятора (например, чтобы воспользоваться лампой-вспышкой). Про потери в аккумуляторе вы уже знаете, в проводах они в этом случае пренебрежимо малы, но ведь у самого конденсатора есть обкладки - а у них тоже есть сопротивление. Так что и здесь КПД < 1.
И в заключение вернемся к обычным осветительным лампам. Они есть трех типов - лампы накаливания, о которых была почти вся эта статья, газоразрядные (их часто называют "энергосберегающие") и светодиодные. Вы наверняка знаете, что первые, которые полтора века верно служат людям, для создания такой же освещенности, потребляют энергии много больше, чем остальные. То есть у них намного ниже КПД, а почему? Потому что они большую часть энергии переводят в то самое невидимое излучение, о котором мы говорили выше. Поэтому если вы будете использовать эти лампы для обогрева, то КПД у них будет больше, чем если вы будете их использовать для освещения.
Понятие КПД можно применить и к человеку, и даже попробовать его посчитать.
