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.
Фотофлод очень сильно заменен старым Нитрасом. Лампы перенапряжения используются в ситуациях, когда преимущества высокой цветовой температуры и светоотдачи более важны, чем недостаток короткого срока службы. Существуют версии этих ламп с синим стеклом, которые поднимают свою цветовую температуру примерно до 800 тыс. Что позволяет смешивать их с дневным светом. Качество цвета и выход света любой лампы перенапряжения будут распадаться с использованием; В любом случае его продолжительность очень коротка.
Лампы накаливания с перенапряжением Высокая интенсивность Световая мощность Цветовая температура Индекс цветопередачи Распределение спектральной энергии Максимальный срок службы. Превосходный 100 непрерывных спектров Очень короткий: 250 Вт - 3 часа 500 Вт - 5 часов 800 Вт - 10 часов.
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).
В 50-е годы прошлого века кинотеатр, который казался тяжело раненным телевидением, предпринял процесс обновления. Великие голливудские студии решили, что спасательный круг был техническим развитием в поисках эффектности. В Европе, с другой стороны, было произведено еще одно техническое развитие, гораздо менее громоздкое, но с очень важными последствиями в эстетическом порядке и, конечно же, и в промышленном. Это было производство портативных профессиональных камер, запись звука в небольшом оборудовании с транзисторами и системами освещения, которые позволяли работать в любом естественном интерьере.
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.
Таким образом, стало известно, что настоящая техническая и эстетическая революция в кино происходит от тенденции к миниатюризации, а не наоборот. Т.е. кино сложных сценографий, великих множеств, огромных проекторов света, тяжелой техники звука, больших камер медленных движений, а также избыточного человеческого оборудования, которое иногда снимая фильм, что-то вроде руководства экипажем корабля.
Увеличивает световую эффективность молодых кинематографистов. Таким образом, родилось «авторское кино», движение кинематографистов, которые намеревались делать работы, в которых они находились, хотя и с низкими бюджетами, а не с киноиндустрии, которые контролировали фильмы. Съемки в естественных интерьерах, как правило, с небольшой площадью поверхности, сделали обычные проекторы объективов Френеля нецелесообразными, поскольку места для их размещения недостаточно. Затем он был запущен с использованием перенапряжений типа «фотоплав», смонтированных в корпусах, оснащенных зажимом, чтобы они могли закрепить их в любом выпуклости, даже гвоздь, в дополнение к легким штативам.
Номенклатура
По функциональному назначению и особенностям конструкции ЛН подразделяют на:
Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)
Через это оборудование было возможно. На фотокамере флеш-память была зажата, чтобы постепенно перевернуться и до 180 вольт, шасси, чтобы заполнить тени. банки ламп с накачкой 110 вольт, обеспечивающие потоки высокой производительности и контролируемой цветовой температуры. Они могут быть подключены к любой установке, даже бытовой, и с большим разнообразием ламп и корпусов, можно было создать небольшую студию в любом месте. Это обеспечило новые и разумные возможности трудоустройства, скользящие по местоположению со скромными бюджетами.
Почти любой естественный интерьер можно было превратить в небольшое исследование. Увеличение мощности в ваттах. Увеличение выбросов в люменах. Резкое снижение срока службы лампы. Результатом стал мягкий и общий свет, который позволял плоскостям, обрамленным от любого угла комнаты. Конец Второй мировой войны и начало так называемой «холодной войны» привели к серии судорог в западной киноиндустрии. Это затронуло Голливуд, сократив до директора по безработице, актеров, сценаристов и продюсеров более или менее авангардного духа.
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.
Это был момент, когда появилось новое поколение, частично сформированное театральным авангардом Бродвея и, особенно, Студией актера, новыми режиссерами, такими как Билли Уайлдер, Джон Хьюстон, Элия Казань, Висенте Миннелли, Роберт Олдрич и др. Они взяли верх из старой славы Голливуда. Конкурс телевидения заставил киноиндустрию принять две радикально противоположные позиции: создание интеллектуальных, экспериментальных или экспериментальных фильмов и расширение возможностей блокбастеров. Результатом стал мягкий и общий свет, который позволял создавать кадры с любого угла комнаты.
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.
Рауль Кутар жил в своем родном городе немецкой оккупацией во время Второй мировой войны. В конце конфликта он решает записаться в армию для борьбы с японцами в Тихом океане. Он работал фотожурналистом «Жизнь и Париж-Матч» во время своего пребывания в Индокитае. Очень скоро он начинает делать документальные фильмы. Продюсер Жорж де Борегард дает ему возможность сфотографировать суфле, первый фильм критика и режиссера Жан-Люка Годара. Жан. Люк сказал мне, что мы будем снимать фильм так, как будто это была история, а это означало стрельбу из камеры вручную и почти без освещения.
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.
Речь шла о том, чтобы сделать фотографию максимально реалистичной, - говорит Кутар. Специализированная пресса узнала новый стиль и смелый эстетический разрыв с предыдущим кино. Париж никогда не фотографировался как мастерски, как Рауль Кутард. «Сутфле» был снят немой всего за четыре недели в аутентичных интерьерах и экстерьерах Парижа и Марселя. Он содержит множество антологически ручной работы Рауля Кутара. Подсчитав ценное сотрудничество Рауля Кутарда, фильм создал совершенно оригинальную пластическую вселенную, основанную именно на ограничении.
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
Ручная камера, жесткая фотография, плохая подсветка, прыжки с вала, съемки в экстерьерах или интерьерах, предоставленные друзьями, - все это были ингредиенты, которые противоречили традиционной грамматике и которой талант Годар мог превратиться в символы нового язык. Все эти хитрости позволили мне. Наиболее экспрессионистское освещение Кутарда, вероятно, соответствует сцене с греческим режиссером Константином Коста Гаврасом. Спустя более двадцати пяти лет имя великого оператора остается неповрежденным.
Их условия импровизации не исчезли, и их особый стиль пересек европейские границы до прибытия в Соединенные Штаты, где имитировали свои методы кинематографисты престижа Вилмоса Зигмонда, Гордона Уиллиса, Конрада Холла или Ласло Ковака. Термин «кварц», «галоген» или более правильно «вольфрам-галоген-кварц» относится к лампам, вольфрамовая нить которых заключена в кварцевую ампулу, заполненную газообразным галогеном. Стандартная вольфрамовая лампа имеет тот недостаток, что ее светоотдача и ее цветовая температура значительно ухудшаются при использовании.
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).
Это связано, в частности, с почернением блистера из-за испарения частиц вольфрама из нити накала и последующей ее конденсации. Спектральное распределение света, излучаемого на волдыре. Когда ваша нить попадает на кварцевые лампы, так же, как она испаряется, лампочка становится черной. Ламповые лампы накаливания, образец галогенов определенно решают эту проблему. Обилие красных излучений и элементов семейства галогенов включает в себя высокие потери тепла йод, бром, хлор и фтор. Путем добавления пары галогенов, таких как йод или бром, в лампу вводят регенеративный циклический процесс, так что испаренный вольфрам повторно осаждается на нить, тем самым предотвращая как почернение, так и ослабление.
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.
Это явление, называемое циклом галогенов, означает, что более высокие температуры могут быть достигнуты без ухудшения и, следовательно, что излучаемый свет является более белым и более интенсивным. Вольфрамовая галогенная лампа поддерживает свою работу и ее первоначальную цветовую температуру намного дольше, чем стандартная лампа накаливания одинаковых ватт. Для этого важно не прикасаться к пузырьку пальцами, потому что они чернеют или ослабевают от пота или жиров кожи. Если их коснуться случайно, их следует очистить спиртом.
Нити могут включаться вместе или отдельно, обеспечивая две выходные мощности в одном и том же светильнике. Высокая температура нити вызывает ее испарение в виде вольфрамового пара, который расширяется, ища внутреннюю поверхность кварцевой кристаллической колбы. Выпавший пар, когда он касается внутренней поверхности кристалла кварца, спонтанно соединяется с галогенным газом, содержащимся в колбе внутри, и становится галогенидом вольфрама.
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).
Они тестировали различные материалы для сборки. Поскольку этот галогенид вольфрама является неустойчивым газом, но лампа накапливается, когда их молекулы непосредственно получают теплоту нити, они разлагаются в виде металлического вольфрама, который осаждается, как всегда, нить такой в нить накаливания и восстанавливает ее, то есть преобразует ее обратно вольфрам в виде вольфрамового металлического элемента, высвобождающего галогенный газ во время этого основного процесса освещения, что позволяет продолжить «цикл галогенов». благодаря великолепным физическим и химическим свойствам, которые он представляет для этой цели.
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.
Между попытками и отказами они заменили газ аргона, использованный в то время в обычных лампах накаливания, для галогенного элемента - йода, что позволило увеличить температуру нити. Кроме того, вместо использования обычного стекла ламп накаливания в колбе, которые не могут выдерживать очень высокую температуру, при которой необходимо подвергать нитку новую лампу, они решили использовать кварцевый кристалл. Это была меньшая и более эффективная лампа по сравнению с ее обычными накаливающими предшественниками равной мощности, но с дополнительным преимуществом обеспечивала гораздо более яркое освещение и более продолжительный срок службы с момента регенерации нити: частицы вольфрама отделились от нить заставляют галоген возвращаться к нему.
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
Однако, не возвращаясь к той же точке, откуда они пришли, со временем тончайшая область нити заканчивается. Вольфрамо-галогеново-кварцевые лампы Интенсивность света Мощность Цветовая температура Индекс цветопередачи Распределение спектральной энергии Средний срок службы.
Реакция, известная как «девитрификация», разрушает кристалл кварца, что приводит к таянию нити. Лучше светящая эффективность, чем его раскаленные предметы. Меньше, чем их ламп накаливания, что облегчает фокусировку света с помощью отражателей или линз. Они не теряют интенсивность света или цветовую температуру в рабочее время. Идеально подходят для использования с диммером.
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
Лампа Лодыгина
Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна (цоколь E27, 220 вольт)
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:
Недостатки:
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
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.