Из какого металла изготовлена нить накала электролампы. Вольфрамовая нить накала

Лампа накаливания (ЛН) - электрический источник света, светящимся телом которого служит так называемое тело накала (ТН, проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры). В качестве материала для изготовления ТН в настоящее время применяется практически исключительно вольфрам и сплавы на его основе. В конце XIX - первой половине XX в. ТН изготавливалось из более доступного и простого в обработке материала - углеродного волокна.

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления. Идеальная температура в 5770 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

При практически достижимых температурах 2300-2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине ЛН испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине ТН помещено в колбу, из которой в процессе изготовления ЛН откачиваются атмосферные газы. Наиболее опасными для ЛН являются кислород и водяные пары, в атмосфере которых происходит быстрое окисление ТН. Первые ЛН изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ЛОН - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ЛН наполняют газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газополных ламп резко уменьшает скорость разрушения ТН из-за распыления. Колбы газополных ЛН не так быстро покрываются тёмным налётом распылённого материала ТН, а температуру последнего можно увеличить по сравнению с вакуумными ЛН. Последнее позволяет повысить КПД и несколько изменить спектр излучения.

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции ЛН подразделяют на:

ЛН общего назначения (ЛОН, до середины 1970-х гг. применялся термин «нормально-осветительные ЛН» - НОЛ). Самая массовая группа ЛН, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 г. за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ЛОН с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;

декоративные ЛН, выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром ок. 45 мм;

ЛН местного освещения, конструктивно аналогичные ЛОН, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т.п., где возможен случайный бой лампы);

иллюминационные ЛН, выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками, их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;

зеркальные ЛН имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;

сигнальные ЛН используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы;

транспортные ЛН - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);

прожекторные ЛН обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). ТН таких ламп, как правило, выполняется компактным (близким к точечному или прямоугольным), что обеспечивается как особой его конструкцией, так и специальной подвеской в колбе;

ЛН для оптических приборов, к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактные ТН, многие из них помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т.п.);

Коммутаторные ЛН служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первая цифра означает рабочее напряжение в вольтах, вторая - силу тока в миллиамперах. В настоящее время в качестве индикаторов чаще применяют светодиоды.

Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)

Особой группой ЛН являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений, за счёт чего удаётся существенно повысить рабочую температуру ТН, избегая, в то же время, его быстрого распыления.

Конструкция

Конструкции ЛН весьма разнообразны и зависят от назначения конкретного вида ламп. Однако общими для всех ЛН являются следующие элементы: ТН, колба, токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели ТН различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В конструкции ЛОН предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы ЛН, как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы ЛОН при обрыве ТН в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки ТН, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток ЛН. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Конструкция современной лампы.
На схеме:
1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели ТН; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.

Колба

Колба защищает ТН от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал ТН распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молекулярной массой. Смеси азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молекулярные массы: N2 - 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).

Тело накала

Формы ТН весьма разноообразны и зависят от функционального назначения ЛН. Наиболее распространённым является ТН из проволоки круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные ТН (из металлических ленточек). Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно - более правильным является термин «тело накала», включенный в состав Международного светотехнического словаря.

ТН первых лампах изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама, иногда осмиево-вольфрамового сплава. Для уменьшения размеров ТН ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ЛН выше за счёт уменьшения теплопотерь ТН из-за конвекции (уменьшается толщина 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 мерцающем режиме.

двойная спираль

двойная спираль (биспираль) ЛН (Osram 200 Вт) с токовводами и держателями

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 (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями - например, байонетным), а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

История изобретения

В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.

В 1840 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью)

В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

Лампа Лодыгина

Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна (цоколь E27, 220 вольт)

В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин первым предложил применять в лампах вольфрамовые нити (в современных электрических лампочках нити накала именно из вольфрама) и закручивать нить накаливания в форме спирали. Также Лодыгин первым стал откачивать из ламп воздух, чем увеличил их срок службы во много раз. Другим изобретением Лодыгина, направленным на увеличение срока службы ламп, было наполнение их инертным газом.

С конца 1890-х гг. появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна)

В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за №34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.

В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. В том же 1906 г. в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

КПД и долговечность

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 %.

долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

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) сильно уменьшает КПД, 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.

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.

Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели.

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. 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.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Спектр излучения: непрерывный 60-ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11-ватной компактной люминесцентной лампы (внизу)

Преимущества:

малая стоимость

небольшие размеры

ненужность пускорегулирующей аппаратуры

при включении они зажигаются практически мгновенно

отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном

возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)

отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе

непрерывный спектр излучения

устойчивость к электромагнитному импульсу

возможность использования регуляторов яркости

нормальная работа при низкой температуре окружающей среды

Недостатки:

низкая световая отдача

относительно малый срок службы

резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения

цветовая температура лежит только в пределах 2300-2900 K, что придаёт свету желтоватый оттенок

лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт - 145 °C, 75 Вт - 250 °C, 100 Вт - 290 °C, 200 Вт - 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%

Вред ламп накаливания

Значительная часть излучения лампы накаливания лежит в коротковолновой части инфракрасного спектра (длина волны 0,74-2,0 мкм). Для температуры излучающей поверхности 2700К выход радиации в диапазоне 0,74-2,0 мкм будет равняться 43%. Это излучение, в отличие от полезного длинноволнового (длина волны 50-2000 мкм), является вредным для организма человека, особенно для глаз. При высокой плотности и продолжительности облучения наблюдаются следующие последствия:

Судорожная болезнь, вызванная нарушением водно-солевого баланса, характеризуется появлением резких судорог, преимущественно в конечностях;

Перегревание (тепловая гипертермия) возникает при накоплении избыточного тепла в организме; основным признаком является резкое повышение температуры тела;

Тепловые удары возникают в результате проникновения коротковолнового инфракрасного излучения (до 1,5 мкм) через покровы черепа в мягкие ткани головного мозга;

Катаракта (помутнение кристалликов) – заболевание глаз, возникающее при длительном воздействии инфракрасных лучей с λ = 0,78-1,8 мкм. К острым нарушениям органов зрения относятся также ожог, конъюктивиты, помутнение и ожог роговицы, ожог тканей передней камеры глаза.

Обычно плотность излучения в домашних условиях не способна причинить заметный вред человеку, однако это возможно если достаточно мощная лампа будет располагаться в непосредственной близости, либо если в помещении установлено слишком много ламп или они слишком мощные. К тому же люди могут проводить под лампами накаливания значительное время, так что, вероятно, даже не очень высокая яркость может негативно отразиться на здоровье в течение длительных промежутков времени.

Спектр излучения: непрерывный 60-ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11-ватной компактной люминесцентной лампы (внизу)

Утилизация

Отслужившие лампы накаливания и галогенные лампы накаливания не содержат вредных для окружающей среды веществ и могут утилизироваться как обычные бытовые отходы. Единственным ограничением является запрет на их переработку вместе с изделиями из стекла.

Ограничения импорта, закупок и производства

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу, во многих странах введён или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания, с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы и др.)

С 1 сентября 2009 года в Евросоюзе в соответствии с директивой 2005/32/EG вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 г запрет коснётся ламп мощностью >= 100 Вт, ламп с матовой колбой >= 75 Вт и др.; ожидается, что к 2012 году будет запрещён импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности.

В России правительство Москвы с 2011 года также планируется исключить из оборота и прекратить производство ламп накаливания мощностью >= 100 Вт

С 2005 года на Кубе ограничено использование ламп накаливания мощностью более 15 Вт

С 2009 года ограничения коснутся также Новой Зеландии и Швейцарии, с 2010 г Австралии.

23 ноября 2009 года президент России подписал принятый ранее Госдумой закон "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации". Согласно документу, с 1 января 2011 года к обороту на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более; с 1 января 2013 года - электроламп мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года - ламп мощностью 25 Вт и более.

Картель Фебус

Международный электроламповый картель с административным центром - обществом Phöbus S. A. (Женева, Швейцария), существовавший в 1924-1941 гг, объединял в себе более 40 производителей из разных стран, доля продукции которых на мировом рынке достигала 80% и имеющий влияние на ценовую, патентную политику.

По некоторым источникам в 1924 г между участниками картеля была достигнута договорённость о ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп.(нем.)

Кроме того картелем были разработаны ныне действующие стандарты цоколя Эдисона.

Интересные факты

В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния) есть 4-ваттная лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа». Она практически постоянно горит уже более 100 лет, с 1901 года.

В СССР после претворения в жизнь ленинского плана ГОЭЛРО за лампой накаливания закрепилось прозвище «лампочка Ильича». В наши дни так чаще всего называют простую лампу накаливания, свисающую с потолка на электрическом шнуре без плафона.

Пока лампа Томаса Эдисона не завоевала популярность, люди спали по 10 часов в сутки.

Почему у ламп перегорают нити накала или, выражаясь менее точно, но зато более кратко, почему перегорают лампы? Вы купили лампу, электронную или осветительную; она исправно работает некоторое время, но в конце концов перегорает, хотя условия ее работы не изменялись - tf ней всегда подводится одно и то же, нормальное для нее напряжение накала. В чем заключается «физика» этого перегорания, почему один и тот же ток, нормальный вначале, впоследствии оказывается для нити губительным?

Рассматривая перегоревшую осветительную лампу, мы замечаем, что ее баллон изнутри потемнел. Появление темного налета объясняется оседанием на стенках баллона паров вольфрама, из которого сделана нить. Нити накала осветительных ламп работают при температуре порядка 2 500°С. При такой температуре начинается заметное испарение вольфрама . Процесс перегорания нити бывает обычно таков: толщина нити по всей ее длине не абсолютно одинакова, местами она несколько толще, местами тоньше. Там, где нить тоньше, ее сопротивление естественно больше, вследствие чего это место нагревается сильнее (нагрев пропорционален величине сопротивления). А раз температура нити больше, то и ее испарение в этом месте происходит интенсивнее, отчего нить еще более утончается.

В итоге получается" своеобразная «обратная связь»: увеличение испарения влечет за собой ускоренное утончение нити, а это в свою очередь приводит к возрастанию- испарения.

Процесс этот завершается перегоранием - расплавлением-нити в том месте, которое было наиболее тонким. Получается точно по пословице: где тонко, там и рвется. Естественно, что кроме толщины нити, играют роль и условия ее охлаждения. Например, нити редко перегорают около держателей, способствующих отводу тепла. Если нить перегорит около держателя, то это означает, что ее толщина в этом месте была много меньше, чем на остальной длине.

Процесс испарения материала нити у электронных ламп менее заметен, чем у осветительных, потому что нити накала электронных ламп работают при меньших температурах. Но сам «механизм» перегорания у них такой же: наиболее интенсивное испарение металла нити происходит там, где она особенно тонка. Лампы прямого накала чаще перегорают, чем подогревные, потому что нити накала батарейных ламп вообще тоньше и, кроме того, условия их охлаждения значительно хуже. Соприкосновение нити накала подогревных ламп с фарфором или сделанным из другого материала изолятором, отделяющим нить накала от катода, способствует хорошему охлаждению.

Совершенно очевидно, что даже небольшой перекал весьма укорачивает продолжительность жизни нити накала - процесс угончения тонких мест при перекале происходит с увеличенной интенсивностью. Для иллюстрации стоит привести одну цифру: увеличение испарения вольфрама при повышении его температуры пропорционально 38-й степени температуры, т. е. пропорционально Г38.

Нет ли в заголовке ошибки? Совершенно очевидно, что перегрев может явиться следствием перекала, но каким образом он может возникнуть из-за недокала? Тут естественно ожидать не перегрева, а недогрева.

Но тем не менее в заголовке ошибки нет. Стремясь сберечь лампы, радиолюбители часто недокаливают их, а это приводит к вредному перегреву, и лампа выходит из строя. Объясняется это следующим.

В настоящее время все радиоприемные лампы имеют активированные катоды, покрытые слоем окислов бария и стронция. Активирующие вещества позволяют получать достаточную электронную эмиссию при низкой температуре - всего 750-800°С. При такой температуре испарение вольфрама практически очень мало и срок службы ламп определяется обычно не перегоранием нити, а испарением или разрушением активного оксидного слоя.

Именно в этом отношении и опасен недокал ламп. Для оксидного слоя большую опасность представляет возникновение на его поверхности очагов перегрева - более сильного нагрева отдельных точек поверхности по сравнению с соседними, а такие очаги возникают при недокале.

Анодный ток лампы проходит сквозь оксидный слой. Если катод нелокален, то сопротивление оксидного слоя сильно возрастает. Особенно велико сопротивление в тех местах, где в оксидном слое имеются утолщения. Проходя сквозь эти места, анодный ток вызывает их сильный нагрев (чем больше сопротивление, тем больше

тепла выделяется на нем при данном токе), а это в свою очередь приводит к увеличению их эмиссии, вследствие чего анодный ток еще более возрастает. В результате температура таких участков оксидного слоя достигает точки испарения оксида.

Процесс носит такой характер в тех случаях, когда уменьшение накала не сопровождается соответствующим уменьшением анодного напряжения. Высокое анодное напряжение способствует увеличению анодного тока. Поэтому понижение напряжения накала ламп всегда должно сопровождаться соответствующим снижением величины анодного напряжения и, следовательно, анодного тока.

Подобного рода саморазогрев оксидного катода может в иных случаях привести к тому, что лампа будет продолжать работать и при выключенном токе накала. Если анодный ток достаточно велик, то после выключения накала оксидный слой будет разогреваться проходящим через!него анодным током и эмиссия катода не прекратится. Так, с выключенным накалом иногда могут - работать, например, кенотроны. Но работа лампы в таких условиях бывает неустойчива: обычно либо анодный ток возрастает настолько, что оксидный слой испаряется, либо ток начинает уменьшаться, катод охлаждается и эмиссия прекращается.

Был получен в 1783, его фактически не использовали много лет.
Удивительного мало — металл, конечно, пластичный, но и очень твердый, а еще — самый тугоплавкий из всех металлов: 3380°C это вам не шутки.

Поэтому вольфрам если и где использовался, так это в Китае — в персиковой краске для фарфора, где красивый цвет давал оксид вольфрама. Хотя те, кто сотни лет расписывал фарфор, об этом не догадывались.

Все изменилось в 1900 году, когда появились первые стали с вольфрамом.
Однако, нас интересует чистый вольфрам, а точнее — как можно произвести из него тонкую проволоку для нитей накала? Нам ведь кроме электронных ламп неплохо было бы производить и простые осветительные лампы накаливания…

Первые лампы накаливания были с угольными нитями (1878 год). Мы не будем вспоминать наработку на отказ такой лампы, проблема была в другом — энергоэффективность оказалась всего 1 люмен на ватт. Лампочки были тусклые и жрали много, и 20 лет исследований довели эффективность аж до 3 люмен/ватт. При этом у самой простой современной лампочки накаливания — 12 люмен/ватт.

Естественно, попытки заменить уголь предпринимались год за годом. в конце 19 века начали выпускать лампы с нитью из осмия, а с 1903 года — из тантала (7 люменов/ватт).

Нить накаливания из вольфрама удалось сделать только в 1904 году, получив заветные 12 люмен/ватт, а специальные высоковольтные лампы имеют даже 22 люмен/ватт.

Какими же методами этого достигли?
Существует несколько подходов к производству нитей накаливания.
Скажу сразу — простое волочение здесь не подходит. Конечно, были попытки расплавить вольфрам в электрической дуге и работать с этой капелькой, пока она горячая. И все равно — необходимая нам очень тонкая проволока не получалась, потому что при застывании в вольфраме образовывались достаточно крупные кристаллы и вольфрам становился хрупким. Да и вообще — это не наш метод. А какие наши?

Метод раз.
Разработан в 1906 году. Черный вольфрамовый порошок очень тонкого помола смешивался с декстрином или крахмалом до образования пластичной массы. Гидравлическим давлением эта масса продавливалась через тонкие алмазные сита. Получающаяся нить оказывалась достаточно прочной для того, чтобы быть намотанной на катушки и высушенной.
Далее нити разрезались на «шпильки», которые нагревались в атмосфере инертного газа до температуры красного каления для удаления остатков влаги и легких углеводородов. Каждая «шпилька» закреплялась в зажиме и нагревалась в атмосфере водорода до яркого свечения пропусканием электрического тока. Это приводило к окончательному удалению нежелательных примесей. При высоких температурах отдельные маленькие частицы вольфрама сплавляются и образуют однородную твердую металлическую нить. Эти нити эластичны, хотя и хрупки.
Метод несложный (относительно), но имеет недостаток. Дело в том, что полностью органику выжечь не удавалось и остатки углерода постепенно выходили из нити и оседали на стенках колбы и лампа «темнела». Естественно, такие вольфрамовые нити мало применимы в электронных лампах, а только в лампах накаливания.

Метод два
Разработан Юстом и Ханнаманом. Угольная нить диаметром 0.02 мм покрывалась вольфрамом путем накаливания в атмосфере водорода и паров гексахлорида вольфрама. Покрытая таким образом нить нагревалась до яркого свечения в водороде при пониженном давлении. Вольфрамовая оболочка и углеродное ядро полностью сплавлялись друг с другом, образуя карбид вольфрама. Получающаяся нить имела белый цвет и была хрупкой. Далее нить нагревалась в токе водорода, который взаимодействовал с углеродом, оставляя компактную нить из чистого вольфрама.
Этот метод дает куда более качественные результаты, но его сложность!..

Метод три
Разработан в 1909 году Уильямом Кулиджем. Вольфрам смешивался с амальгамой кадмия, из полученной пластичной массы изготавливалась проволока, и, когда ее прокаливали в вакууме, сначала кадмий, а потом ртуть полностью испарялись, оставляя тонкую нить из спеченного чистого вольфрама, который к тому же поддавался дальнейшей обработке.
Это — самый что ни на есть наш метод!
P.S. Я встретил в одном месте упоминание, что Кулидж потом усовершенствовал метод и обошелся без ртути. Каким образом это произошло я объяснений не нашел.

Метод четыре
Собственно, это современный метод производства вольфрамовых нитей (для справки).
На входе — порошковый вольфрам, получаемый восстановлением паравольфрамата аммония. Он должен иметь высокую чистоту и обычно смешивают порошки вольфрама разного происхождения, чтобы усреднить качество металла (экономика должна быть экономной). Но даже такое смешивание — занятие не простое, оно производится в мельницах и вольфрам достаточно сильно нагревается. Чтобы он не окислялся, в мельнице должна быть чисто азотная атмосфера.
Далее порошок прессуется гидравлическим прессом при 5.25 кг/мм 2
Если порошки все же загрязненные, то прессовка получается хрупкой и для устранения добавляют органическое связуемое, в дальнейшем полностью окисляемое.
Потом — предварительное спекание и охлаждение штабиков в потоке водорода, их механические свойства улучшаются.
Но все равно — прессовки еще остаются достаточно хрупкими, и их плотность составляет 60–70% от плотности вольфрама, поэтому штабики подвергают следующему высокотемпературному спеканию.
Штабик зажимается между контактами, охлаждаемыми водой, и в атмосфере сухого водорода через него пропускается ток для нагрева его почти до температуры плавления. За счет нагревания вольфрам спекается и его плотность возрастает до 85–95% от кристаллического, в то же время увеличиваются размеры зерен, растут кристаллы вольфрама.
Затем следует ковка при температуре 1200–1500° С. В специальном аппарате штабики пропускаются через камеру, которая сдавливается молотом. За одно пропускание диаметр штабика уменьшается на 12%. При ковке кристаллы вольфрама удлиняются, создается фибриллярная структура. Именно эта структура не дают вольфраму быть настолько хрупким и его можно протягивать.
После ковки следует протяжка проволоки. Стержни смазываются и пропускаются через сита из алмаза или карбида вольфрама. Степень вытяжки зависит от назначения получаемых изделий. Диаметр получаемой проволоки составляет около 13 мкм.

Ну и напоследок кое-какие факты: из 1 кг вольфрама изготавливают 3,5 км проволоки. Это нити накаливания для 23 тысяч 60-ти ваттных ламп.