Карьера лампочки

Современная цивилизация просто немыслима без электрической лампы накаливания, этого, вроде бы, незамысловатого устройства -- великого детища замечательного русского электротехника Александра Николаевича Лодыгина. Вот уже более века излучает оно людям потоки света и тепла. Среди товаров широкого потребления едва ли сыщешь более массовый, более ходовой. В самом деле: только за минувшее десятилетие построены электроламповые заводы в Саранске, Смоленске, Бресте, Орджоникидзе и Маили-Сае (Киргизия). Кроме того, расширены и реконструированы многие действующие предприятия.

Мы уже давно привыкли к разнообразным по форме широко распространенным лампам общего назначения. Большинство из нас прекрасно информировано, скажем, о преимуществах криптоновых светильников, отличающихся повышенной светоотдачей и обеспечивающих более близкое к естественному освещение. Никого не удивишь уже и лампой повышенной светосилы с зеркальным покрытием внутренней поверхности колбы.

А ведь, помимо обыкновенного освещения в быту и технике, на союз вольфрамовой нити с колбой возложены и многие другие важные узкоспециализированные функции. Если, скажем, нить накаливания вмонтирована в автомобильную лампу, то к ее профессиональным обязанностям добавляется еще одна: стойко переносить тряску. На крыле самолета необходимо обеспечить безотказную службу в условиях пониженного атмосферного давления и повышенной влажности воздуха. Кинопрожекторные, а также кино-проекционные светильники обязаны обеспечивать максимальную яркость в течение достаточно продолжительного срока. Ежедневно пользуемся мы услугами так называемых миниатюрных ламп. Ведь они встречаются не только в карманных фонариках и на велосипедах; они освещают шкалы радиоприемников, являются обязательным элементом многочисленных электроизмерительных приборов и средств сигнализации.

Еще больший интерес представляют лампочки сверхминиатюрные. Они применяются в радиоэлектронике или в сложнейшем механизме электронно-вычислительных машин. В медицине, например, лампы-бусинки, не уступающие по размеру рисовому зернышку, подсвечивают внутренние органы пациентов и помогают врачу поставить точный визуальный диагноз. Миниатюризация не менее необходима и в других самых различных областях науки и техники.

И в каждой большой, малой и сверхмалой светоизлучающей колбочке, в каждом рукотворном светильнике вмонтирована вольфрамовая нить, ниточка, паутинка. Ибо вольфрам в сравнении с другими металлами характеризует очень низкая скорость испарения (в этом отношении он уступает одному только рению). Только вольфрам, отличаясь весьма высоким температурным сопротивлением, способен стремительно нагреваться до высочайших температур, расходуя ничтожно малое количество энергии. Причем с повышением температуры соответственно возрастает и электросопротивление металла. Вольфрамовая нить накаливания, разогретая до критического порога, за которым начинается оплавление, обладает в тысячу крат большей световой отдачей, чем при такой "прохладной", например, температуре, как 1400 градусов, пригодной разве что для плавки стали.

Тысяча к одному! С какой бы точки зрения мы ни подходили к этой ошеломляющей пропорции - с чисто технической или сугубо экономической - нам далеко не безразлично, насколько накалено наше домашнее светило. Тогда что же мешает эксплуатировать его на самых высоких градусах? - Катастрофически нарастающая скорость испарения. Пренеприятнейшее физическое явление, значительно опережающее по своей интенсивности желанный прирост яркости. Вольфрам попросту тает, осаждаясь на стенках колбы характерным налетом темного цвета, еще более приглушающим светимость раскаленной нити.

Можно ли как-то противостоять этому, казалось бы, непреложному закону? Оказывается можно! Довольно остроумно решена эта проблема в так называемых галогенных лампах, получивших широкое распространение в последние годы. Отличие этих светильников от всех прочих в том, что предварительно внутрь колбы закачиваются йодистые, бромистые, фтористые соединения или, придерживаясь терминологии специалистов, "циклы".

Рассмотрим принцип работы галогенной лампы, допустим, с йодным циклом. Как мы уже отметили, испаряющиеся с нити накаливания атомы-дезертиры осаждаются на стенках колбы. В обычной лампе мы бессильны даже притормозить этот процесс, не говоря о большем. Совершенно иная ситуация складывается, когда колба заполнена парами иода. Они вступают с беглецами в химическое взаимодействие, образуя газообразный иодид вольфрама.

Едва возникнув, это соединение переносится внутренним током в зону раскаленной нити, а точнее спирали, где и разлагается на вольфрам и иод. Вольфрамовые частички-дезертиры возвращаются в лоно матери-спирали, а освободившиеся молекулы иода устремляются к стенкам колбы за новой партией блудных атомов испаряющегося металла. Причем наблюдается любопытная закономерность: все эти "встречи" и "расставания" возможны только при высоких температурах (порядка 2500 градусов и выше). Словом, именно тогда, когда более всего необходимы. Отсюда и вполне очевидные преимущества галогенных светильников. Небольшая колба, скажем, стоваттной лампы способна вписать пятнадцатикиловаттную спираль, то есть сконцентрировать мощность, превосходящую обычную ни много, ни мало в 150 раз! А это значит, что габариты солидного прожектора можно сократить до размера теннисного мячика. Кроме того, колба галогенной лампы будет постоянно сохранять прозрачность, а нить накаливания - увеличенную продолжительность горения, не реагирующую на резкие изменения внешней температуры.

Можно ли обеспечить долгожитие не просто рядовой лампе накаливания, а несравнимо более сложной и дорогой электронной конструкции? Ведь в ее устройстве используются детали не только из одного вольфрама, но также из других тугоплавких металлов - молибдена, тантала, ниобия, тория. И каждый из них выполняет свою персональную функцию.

Чтобы уберечь металлы-сподвижники от испарения их 74-го собрата, тонкую вольфрамовую нить протягивают сквозь расплавленную каплю золота или серебра в среде защитной атмосферы. Нанесение защитных покрытий из благородных металлов преследует не менее возвышенную задачу: затормозить активное излучение электронов с поверхности или, выражаясь языком специалистов, термоэлектронную эмиссию сеток. Однако, справедливости ради, необходимо отметить: золочение, как, впрочем, и серебрение, целесообразно применять только в тех случаях, когда максимальная температура в "организме" лампы не превышает 500-550 градусов. Стоит переступить этот предел, как драгоценный металл даже в условиях вакуума начнет сам испаряться.

Наиболее эффективно в этом отношении содружество вольфрама с рением - его ближайшим соседом по таблице Менделеева и почти двойником по многим "чертам характера" (ну, например, по тугоплавкости). Рений обладает рядом неоспоримых достоинств, и едва ли не главное из них - он чрезвычайно устойчив против окисления. При нагреве даже до 1500 градусов он остается почти совершенно безучастным к кислороду воздуха. В этом отношении рений не имеет себе равных. Кроме того, он почти не распыляется. Вот почему иногда особо ответственные нити накаливания изготавливают из сплава рения с вольфрамом. В последние годы союз вольфрама и рения нашел применение и в других областях техники: в производстве термопар, электроконтактов, а также чрезвычайно ответственных подогревателей электровакуумных приборов.

Союз? Правильнее сказать, мезальянс. Ибо, как бы ни был дефицитен вольфрам, рению он не ровня. Ученые считают, что в природе рения в 5 раз меньше, чем золота, в 1000 раз меньше, чем вольфрама. Буквально каждый грамм рения на счету. Вот почему неустанно изыскиваются пути снижения его расхода даже в самых обязательных процессах.

Труды советских ученых показали, что вольфрамовую нить в лампах накаливания можно эффективно защитить методами гальванических покрытий. Для этого нить поначалу протравливают в специально подобранном электролите, равномерно растворяющем поверхностную окисленную пленку. А затем начинают "химичить". Поверхность изделия промывают то в растворах кислот и щелочей, то в струе обычной воды. Толщина рениевого покрытия, нанесенного гальваникой, чаще всего не превышает двух микрон (пластинка золота такой толщины становится прозрачной, как целлофан). Поэтому расход дорогого защитника ничтожен, а результат достигается не меньший, чем при равноправном сплаве рения с вольфрамом.

Стоит вспомнить и о других "благодетелях" серебристого кудесника. В нелегких условиях эксплуатации вольфрамовых деталей при температуре 1100 градусов самыми надежными считаются двухслойные хромо-никелевые покрытия. Иногда завершающий никелевый слой наносят на своего рода "грунтовку" - так же электролитически "омедненный" вольфрам. В этом случае преследуют иную выгоду. После промывки и просушки предварительного покрытия деталь прекрасно поддается пайке и лужению.

Можно оберегать вольфрам и торием. К услугам последнего обращаются, когда ответственным деталям на вольфрамовой основе приходится нести службу в условиях температур, достигающих 1650 градусов.

Наконец, существует так называемое электрофорети-ческое покрытие керметами. Иными словами, хромирование в электролитах, которые содержат добавки борида циркония. Толщина покрытия в каких-нибудь 70 микрон обеспечивает при этом надежную защиту вольфрама, разогретого до 2000 градусов.

С повышением температуры нити накаливания, как мы уже отмечали, возрастает не только световой поток, но и тепловой. Только 6-8 процентов дорогостоящей электроэнергии преобразуется в световые волны. Остальная воистину львиная доля ее без всякой видимой пользы расходуется на тепловые излучения, рассеивающиеся в окружающем пространстве.

Всегда ли без пользы? В обычных светильниках, широко применяемых на производстве и в быту, тепловое излучение, испускаемое вольфрамовой нитью накаливания, чаще всего, действительно, пропадает. Однако существуют и лампы специального назначения, с помощью которых строители, например, прежде чем приступить к отделочным работам, удаляют сырость из стен домов-новостроек. А на автомобильных заводах тепло мощных ламп сушит свежеокрашенные детали. Колбы с рубиновым покрытием купола нашли широкое применение на животноводческих фермах и в птичниках, в парниковых хозяйствах высокоширотных районов страны. Да и в быту уже десятки лет люди лечат свои недуги знакомыми вам рефлекторами с синими лампами.

Нагревательные приборы вовсе не обязательно должны быть выполнены в виде ламп. Электроплитки, электроутюги, электрочайники, электросамовары давно и прочно вошли в наш быт. Все они работают, преобразуя электрическую энергию в тепловую. Если же обычную электроплитку увеличить в десятки и сотни раз, получится мощная промышленная электропечь сопротивления. Такая печь, разумеется, отличается по устройству от бытовой, изолирована от окружающей среды стенами из термостойкого огнеупорного кирпича. Но по принципу действия она не так уж далека от своей прародительницы электроплитки.

Все это богатое техническое многообразие базируется лишь на одном, одинаковом для всех конструктивном элементе - навитой из вольфрамовой или нихромовой проволоки спирали.

Избалованных обилием экспонатов посетителей всемирной выставки в Монреале трудно было чем-либо удивить. Тем не менее советская установка радиационного нагрева "Уран-1" даже в Монреале неизменно вызывала повышенный интерес. Еще бы: в фокусе узкого пучка лучей, диаметр которых не превышал одного сантиметра, установка обеспечивала колоссальную температуру в три тысячи градусов! Источником мощного теплового потока в "Уране-1" служат спаренные вольфрамовые электроды, помещенные в заполненную ксеноном небольшую колбу из жаростойкого кварца. При включении тока между электродами вспыхивает ослепительно яркая плазма, раскаленная до 8000 градусов. Зеркальный отражатель улавливает энергию плазмы и собирает ее в одной точке. Непрерывно действующая система водяного и воздушного охлаждения защищает корпус необычной лампы от перегрева. Чуть ли не целую неделю может работать "Уран-1" без переналадки в адском режиме сверхвысоких температур.

Могут спросить: "А для чего они вообще необходимы, сверхвысокие температуры?" Главным образом, для вакуумной плавки металлов и сплавов повышенной химической чистоты. Скажем, такого металла, как титан, по массе своей близкого к алюминию, а по прочности и твердости к лучшим маркам стали. Однако при обычном нагреве титан, как, впрочем, и вольфрам, слишком активно вступает в союз с кислородом воздуха. И при этом немедленно утрачивает свои замечательные свойства, превращаясь в хрупкий, не поддающийся механической обработке материал. Совсем иное дело, если плавку титана вести исключительно в нейтральной атмосфере. Но здесь-то и подстерегают металлургов главные сложности. Необычайно трудно совместить герметизацию печи с высокими температурами, ибо любой вид топлива нельзя сжечь без окислителя - кислорода. Возникает как бы заколдованный круг, выход из которого может быть найден только за счет постороннего источника тепла. Вот тогда и приходят на помощь вольфрамовые электроды "Урана-1".

При этом невольно вспоминается сокрушительная мощь фантастического гиперболоида инженера Гарина. С той лишь разницей, что здесь чудесный луч использован исключительно в мирных целях. Принципиальное устройство вакуумной печи весьма незамысловато. В самом центре ее на специальной теплоизолирующей подставке устанавливается тигель, изготовленный из наиболее тугоплавких материалов (выходит, что и здесь без вольфрама не обойтись). По завершении загрузки тигель накрывается колпаком из прозрачного кварцевого стекла. Тщательно уплотняются стыки, ликвидируются малейшие неплотности.

Подготовительная работа завершается откачкой воздуха. Остается лишь подключить установку типа "Уран-1" и с достаточной точностью сфокусировать поток тепловой энергии на поверхность загруженного под плавку сырья. Однако на этом возможности вакуумной печи не исчерпываются. С еще большей полнотой раскрылись они в ходе исследований, проведенных в космосе.