Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

Пламя свечи тоже стоит рассмотреть повнимательнее. Непосредственно над фитилем и вокруг той его части, что возвышается над воском, пламя немного темнее. Это пары воска, не сгорающие из-за недостатка кислорода. Но по мере того как они поднимаются, с ними смешивается все больше кислорода, и мы попадаем в пылающую оранжевую часть пламени, где воск начинает гореть. Однако и в этой области кислорода все еще недостаточно, поэтому воск сгорает не полностью и оставляет часть углерода из воска в виде частиц, а не углекислого газа. Такой углерод становится очень горячим и оранжевым – вот почему верхушка пламени свечи обладает именно таким цветом. Есть в пламени и третья часть, хотя заметить ее очень сложно. Оранжевую область обрамляет почти невидимый сине-желтый слой глубиной около 2 мм. Чтобы увидеть его, попробуйте установить свечу на темном фоне и осветить ее сбоку. Внимательно посмотрите вдоль вертикальных краев и сможете обнаружить едва уловимую разницу во внешней стороне пламени. Это та область, где кислорода достаточно для полного сгорания свечного воска. Также это самая горячая часть пламени.

Есть и еще одна простая демонстрация, помогающая выявить некоторые свойства пламени свечи. Для начала зажгите свечу и подождите немного, чтобы пламя разгорелось и стало устойчивым. Затем с зажженной спичкой в руке осторожно задуйте пламя. Вы увидите струйку чего-то похожего на дым, поднимающуюся из потухшего фитиля, – но это не дым, а пары воска. Теперь быстро поднесите зажженную спичку к фитилю на расстоянии нескольких сантиметров и погрузите ее в поток паров воска. Как только вы это сделаете, пламя прыгнет от спички к фитилю и свеча мгновенно загорится вновь. Когда вы овладеете этим трюком, попробуйте использовать свечные щипцы, чтобы гасить пламя с минимальным возмущением воздуха (чтобы пары воска поднимались в строго вертикальном потоке). Попрактиковавшись, вы сможете заставить свечу загореться вновь с помощью спички, расположив ее на расстоянии до 5–6 см.

Вся эта наука и многие другие факты были подробно описаны в замечательной книге Фарадея «Химическая история свечи». Он не обошел вниманием и эксперименты, которые проводил с целью исследовать это, казалось бы, простое явление. Но при ближайшем рассмотрении «наука свечи» оказалась сложной. К счастью, книга Фарадея все еще издается, а также доступны цифровые копии, причем совершенно бесплатно. Так что ее определенно стоит прочесть.

03 Чудеса науки в домашнем быту

Прогресс технологии освещения

Это началось как ручеек, но превратилось в настоящее наводнение. Люди во всем мире массово отказываются от своих старых ламп накаливания в пользу новомодных компактных люминесцентных ламп. Правительства по всему миру принимают законы, запрещающие использование ламп накаливания. Бразилия и Венесуэла первыми вступили на этот путь еще в 2005 году, Австралия – в 2010 году, Великобритания – в 2011 году. На момент написания книги Россия, США и Китай уже тоже законодательно поддержали это начинание. Причина проста: лампы накаливания ужасно неэффективны как источник света. Они были представлены на рынке лишь потому, что не существовало экономически надежных конкурентов.

Традиционную лампу накаливания впервые продемонстрировал на практике не Томас Эдисон и даже не Джозеф Суон[15], а шотландец Джеймс Линдси в 1835 году в Данди. Хотя это изобретение значительно усовершенствовалось за почти 200 лет своего существования, лишь около 2 % энергии, поступающей в лампу накаливания, превращается в видимый свет. Сравните этот показатель с показателем ламп, на которые мы все постепенно переходим: компактная люминесцентная лампа преобразует в свет около 10 % энергии. Теперь понимаете, почему нас всех призывают сделать такой переход?

Компактная люминесцентная лампа представляет собой обычную люминесцентную лампу, свернутую спиралью, в некоторых случаях – заключенную во внешнюю стеклянную колбу. Наука, лежащая в основе ее работы, была известна с 1856 года, но только с инновационной намоткой и в результате миниатюризации эти лампы начали свой путь в наши дома в 1976 году. Трубка компактной люминесцентной лампочки заполнена инертным газом аргоном под очень низким давлением, но внутри трубки также есть крошечная капля жидкой ртути, которая нагревается и испаряется, когда через трубку проходит электрический ток ионов и, собственно, электронов. При этом электричество передает часть своей энергии атомам ртути. Ртуть может удерживать эту энергию совсем недолго, а потом быстро высвобождает ее в форме невидимого глазом ультрафиолетового света. Он в свою очередь попадает на белое порошкообразное люминофорное покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки. Люминофор поглощает энергию ультрафиолетового излучения и, как и ртуть, быстро отдает ее, но на этот раз в форме видимого света. Свет современных компактных люминесцентных ламп имеет примерно ту же интенсивность, что и свет ламп накаливания. Но к числу пока не решенных серьезных недостатков относится сравнительно долгое время, которое требуется люминесцентной лампе для достижения максимальной яркости.

Обычно на это требуется от десяти секунд до минуты, и вот почему. Когда вы включаете люминесцентную лампу, внутри трубки очень мало паров ртути. Почти вся она находится в жидком состоянии. Что касается аргона, он не проводит электричество. Чтобы заставить ток течь по трубке, на каждом ее конце должна быть крошечная катушка провода. Когда электричество проходит по этим проводам, они нагреваются и выбрасывают электроны со своей поверхности в газ аргон. Также катушки нагревают ртуть, превращая ее в пар, и, только когда газ внутри лампы достигает критической точки ионизации, электричество принимается течь по трубке в штатном режиме. Затем ртуть начинает испускать ультрафиолетовый свет, который люминофор преобразует в видимый. Все это занимает некоторое время, так что лампа разгорается не сразу. Именно поэтому компактные люминесцентные лампы работают плохо вне помещений. Если воздух холодный, может потребоваться до пяти минут, чтобы лампа разгорелась полностью.

В последнее время появился ряд инноваций, которые способствуют более быстрому «запуску» компактных люминесцентных ламп. И все же никакие инновации никогда не смогут обеспечить им то мгновенное включение, которое предлагают лампы накаливания. Несмотря на это, пятикратное повышение КПД и вытекающая из этого колоссальная экономия энергии более чем компенсируют неудобства первых секунд включения. Однако уже появилась и новая технология – светоизлучающий диод и светодиодные лампы. В настоящее время лампочки, изготовленные на основе светодиодов, значительно дороже, но их эффективность в два раза выше, чем у компактных люминесцентных ламп. К тому же