26
Что служилось с лампочной?
Кандидат физико-математических наук
А. Н. ПЕГОЕВ
Конечно, перегорание лампочки — собственные мелкое. Пожалуйста, даже слово «событие» здесь кажется несовсем уместным. Однако разговор о том, почему и как разрушаются нити в лампах накаливания, волне достонн внимания.
Наша промышленность выпускает миллиарды ламп в год. Прослужив по нескольку сотен или тысячи часов, все они перегорают, вызывая у одних легкую досаду, а у других удивление и любопытство. Иногда вид перегорающей лампочки задачает даже опытного электрика.
Но прежде чем говорить о перегорании ламп, несколько слов об их устройстве. Главная деталь лампы (рис. 1) — тело накаливания. Объчно это волфрамовая нить в форме спирали или двойной спирали. Концы нити соединины с концами вводов. Вводы средней частью закреплены в стеклянной лопатке. Нить поддерживает вводами и проводчными держателями, последние вяны в стеклянный штенгель. Эта конструкция размешается в стеклянной колбе. К колбе приклеен циколь, к контактом которого припаяны наружные концы вводов. Их диаметр несколько меньше, чем диаметр внутренней части вводов. Внутри циколя находится носик — запаяный конец стеклянной трубочки, через которого открывается воздух из колбы. В некоторых видах ламп колба направляется инертным газом (аргоном, криптом), иногда с добавлением галотенов.
Нить накаливания — самый неадежный элемент лампы. Ток, протекающий через нить, нагревает ее почти до 3000 К. Повышение напряжения на 15% от номинального приводит к быстрому разрушению нити. Далее повышение напряжения на 1% снижает срок ее службы на 15%, хотя и повышает светотдачу на 4%.
Как уже говорилось, вид перегорающей лампочки может вызвать удивление, а иногда может и задачить. Выделим по внешним признакам несколько видов разрушения ламп, формулируем соответствующие вопросы, а затем и ответим на них.
Жизнь большинства ламп заканчивается после длительного горения. В последнее мгновение свет мерцает, может измениться его цвет, иногда слышится тихое гудение, и нить разрывается.
Вопрос 1: почему после длительного экрана участок нити, тогда как остальная часть нити еще работает нити, обычно около ввода.
В быту до четверти ламп перегорает в момент включения. Сразу после замыкания цепи лампа ярко вспышивается и гаснет. Характерно, что разрушается нескольной участок нити, обычно около ввода.
Вопрос 2: почему в момент включения, когда температура нити еще не достигала рабочого значения, возвращается вероятность перегорания нити?
Иногда перегорание нити при включении сопровождается вспышкой в цикле. При этом перегорает один из вводов в нарушенной его части, а на стекле колбы осаждается испарившийся металл. Колба может отключаться от циколя и повисать.
Рис. 1. Лампа накаливания в разрезе.
27
нуть на ущелевшем вводе. (В этом случае можно вывинуть циколь из патрона, захватив край циколя концами бокорезов с изолированными ручками.) Такая картина понятие не может не удивить. Во-первых, электронная цепь разрушилась в двух местах — нить и ввод. Во-вторых, перегорел ввод, у которого ток плавления значительное больше, чем у нити (это видно хотя бы из того факта, что в рабочем режиме один и тот же ток раскаляет нить и почти не нагревает вводы). Парадокс здесь такой же, как будто мы потянули за слабый шнурок и порвалели его, но при этом порвалась еще и прочная вервка, к которой привязан шнурок (рис. 2).
Вопрос 3: по какой цепи протекает ток, разрушающий ввод?
В некоторых случаях (это касается, в основном, мощных ламп) при включении лампы разправляется значительная часть нити накаливания. Капли вольфрама проплавляют колбу лампы (а иногда и стеклянный плафон), стекло трескается и с гросотом падает. Застывшие капли вольфрама, их обугленные следы, нерасплавленные кусочки нити можно найти на предметах, находившихся под лампой.
Вопрос 4: почему при перегорании лампы ток возрастает настолько, что может разправиться значительный участок нити?
Желающие могут попытаться самостояльно ответить на эти вопросы и лишь после этого прочитать приведенные ниже ответы.
Ответ на вопрос 1. Причину разрушения малого участка нити естественно искать в том, что нить не может быть абсолотно однородной. Представим нить как последовательное соединение небольших участков, изображенных на схеме в виде резистиров с сопротивлением каждый (рис. 3).
Электрическое сопротивление участка нити определяется его длиной , диаметром и удельным сопротивлением материалов . Выберем длины участков одинаковыми и будем считать одинаковыми удельные сопротивления всех участков, тогда разлиние в сопротивлениях будет связано только с разлинием в диаметрах участков. Путь по нити протекает ток , который определяется приложенным к нити направлением и сопротивлением нити (то есть суммой сопротивлений всех участков): . На каждом участке выделяется мощность . При установившем теперь режиме эта мощность расходуется на световое и тепловое излучение, а также на отвод тепла по соседним участкам и вводам и через газ в колбе.
29
ратура нити почти 3000 К, то, сразу после включения сопротивление нити приблизительно в 10 раз ниже, чем в разогретом состояния. Следовательно, в начальной момент ток, протекающий через нить, превышает номинальное значение почти в 10 раз (рис. 4). Затем по мере разогрева нити сила тока уменьшается.
Само по себе повышенное значение тока не разрушает нить, но создает предпосылки для временного перегрева отдельных ее участков. Действительно, слабый участок нити с уменьшенным диаметром, как мы уже выяснили, обладает повышенным сопротивлением, на нем выделяется повышенная мощность. В неустановившемся режиме мощность расходуется, помимо излучения и теплотвода, на нагрев нити. Поскольку тепломкость слабого участка понжена по сравнению с другими участками, а мощность повышена, этот участок разогревается быстро, чем остальные. Это, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления слабого участка и к дополнительномуускорению разогрева. В результате его температура достигает рабочого уровня раныше, чем разогреется вся нить. В этот момент ток еще превышает номинальное значение, поэтому слабый участок на некоторое время перегревается (см. рис. 4). Это может оказаться достаточно, для того чтобы произошло испарение волфрама с поверхности нити и нить в этом месте уменьшалась в диаметре. С каждым последующим включением ослабление нити прогрессирует, пока, наконец, при очередном включении перегрев не приведет к разрушению слабого участка.
Таким образом, зависимость сопротивления нити от температуры приводит к перегреву и разрушению слабого участка нити в момент включения, когда основная часть нити еще не прогрелась.
Лампам в театральных светильках, например на которых повышается плавно, такая гибель не угрожает. А мигающие, часть включенные лампы должны иметь особенно однородные нити или работать с недогревом. Это же касается, например, ламп для светофоров.
Рис. 5. Последовательные стадии разрушения нити и ввода.
Ответ на вопрос 3. Как перегорает нить при включении лампы, мы уже выяснили. А почему при этом может разрушиться ввод? Ясно, что ток, разрушаюший ввод, не протекает по нити, так как основная часть нити (с относительной небольшим током плавления) сохранилась. Ясно также, что этот ток протекает внутри лампы, поскольку разрушение ввода является связыванием нити.
Оказывается, причина всему — дуговой разряд между вводами внутри колбы. При разрушении слабого участка нити в колбе возникнет облачко паров волфрама, частчно ионизированных. Иногда через это облачко проискот прообой, и между вводами zajигается электрическая дуга. Ток дуги и разрушает ввод в его ослабленной нарушенной части (рис. 5). Следы дуги остаются в виде сизого налета на вводах внутри колбы.
Интересно, что такая неприметная деталь конструкции лампы, как различие диаметров вводов внутренней и внешней колбы, имеет важное значение. Если диаметр нарушенного участка ввода был таким же или большем, чем диаметр внутреннего участка, то было бы возможность испарение вводи лампы. А это чреваго взрывом колбы.
Ответ на вопрос 4. Иногда после разрушения слабого участка нити пробой возникнет не между двумя вводами, а между одним из вводов и оставшейся частью нити. Это приводит к плавлению большого отрезка нити и возможность взрыву колбы лампы (рис. 6). Можно ли
30
Рис. 6. Последовательные стадии разплательния значительной участка нити.
посоветовать не встать под лампой в момент ее включения.
Рассмотрим еще два необычных и интересных случая перегорания ламп.
Однажды в момент выключения разбилась колба лампы. Оказалось, что при длительном горении нить постепенно провисала под действием силы тяжести, приближалась к дну
Тепер расскажем о случае одновременной гибели двадцатей ламп, соединенных последовательно. Во времяна, когда.elочных гирлянд еще не было врейскуранте Деда Мороза, была составлена цепочка из двадцатей маломощных автоматных ламп, расчитаных на 12 В каждая. При включении в себя с напряжением 220 В лампы мигнули и перегорелли (все двадцать!), при этом в каждой лампе испарился короткий отрезок нити. Это такое удивительное, как если бы при растявании шнура, связанного из двадцатей кусочков, он порвался бы в двадцатей местах — аккуратно между узелками (рис. 7, а).
Почему же одновременно перегорелли все лампы? Причина этого в следующем. Разрушение слабого участка нити в одной из ламп привело к зажиганию электрической дуги между вводами (рис. 7, б). Сопротивление договора промежутка существенно меньше сопротивления нити в рабочем режиме, в результате этого наряжение на остальных лампах увеличилось. Этоускорило гибель следующей лампы: зажигание дуги в ней (рис. 7, в). Наряжение на увеличших лампах еще возросло, а эстафета разрушения передавалась от одной лампы к другой, пока в цепи не осталось слабых мест. Так перегорание одной слабой лампы обусловило разрушение остальных. Такие случаи, конечно, редки, но вполне верятны.
Рис. 7. Шнурок не может разорвать сразу в несколько мест, а последовательно соединенные лампы могут перегореть одновременно.