Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Естественно, оставлять в лампе воздух неразумно, т. к. активный кислород легко вступит в реакцию с раскаленным вольфрамом. Поэтому воздух из лампочек действительно выкачивают, чтобы затем заправить стеклянный баллон неактивным газом при низком давлении. Этот газ препятствует образованию паров вольфрама, давление которых вызовет ускоренное перегорание спирали. В прежние времена, когда в ходу были пустотные лампы, проблему решали уменьшением их светимости. На нить подавалась меньшая нагрузка, отчего вольфрам медленнее испарялся, но и светился тусклым красноватым светом.
Сейчас яркость электролампочек удалось повысить, одновременно продлив срок их службы, посредством неактивного газа-наполнителя. В роли такого газа не так давно выступал чистый азот, а в последние 15 лет исключительно азотокриптоновая или азото-аргоновая смесь. Последняя, содержащая 86 % аргона, применяется наиболее часто. Криптон добавляют в лампы-«грибки», что делает их вдвое долговечнее аргоновых лампочек. Важным достоинством криптона являются его тепловые свойства, которые позволили уменьшить размер стеклянного баллона таких ламп.
Еще одним способом продлить срок работы лампочки является применение галогенной смеси. То есть баллон галогенных ламп заполняют смесью неактивного азота и какого-нибудь газа из группы галогенов. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого добавочного наполнителя используется йод. Вообще-то, металлический вольфрам реагирует с газообразным йодом уже при температуре +700 °C, но именно активная реакция этих двух веществ необходима производителям лампочек.
Галогены обладают одной интересной особенностью. Они настолько активны, что вступают в реакцию не только с вольфрамом нити, но и с испарившимся металлом, осевшим в виде кристаллов на внутренней поверхности баллона. В результате атомы йода превращаются в транспортную систему, которая захватывает вольфрамовые пары и осадок и возвращает атомы металла обратно в нить. Работает же эта транспортная система исключительно благодаря кислороду. Он в малых долях, в качестве побочной примеси присутствует в газовой среде галогенной лампочки, образуя молекулы оксид-йодида вольфрама. Эти молекулы в конечном итоге и нужно считать переносчиками атомов металла.
Галогенные лампы изобретены в 1949 г., но до недавнего времени принцип их действия понимался неправильно. В конце концов физики пришли к выводу, что галогенные лампы работают в обход всех законов природы. Лишь развитие технологий очистки металлов (титана, гафния, ниобия и т. д.) посредством галогенов, а также более глубокие изучения сложной природы переходного металла вольфрама дали ответ на вопрос, почему же светят удивительные лампочки.
Одним из плюсов галогенных лампочек, кроме длительного срока исправной службы, следует назвать их компактность и мощность. Температура нити накаливания достигает в таких лампочках +3000 °C, что соответственно вдвое увеличивает их светимость. Автомобильные фары, фонарики для подсветки витрин, лампы кино- и диапроекторов наполнены йодистой смесью, потому что от этих источников света требуется большая яркость, долговечность и малые размеры.
Что касается мощности электрической лампы, то она также высчитывается посредством замера сопротивления и силы тока. Мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление. Величина удельного электрического сопротивления вольфрама очень низка, она равняется всего 0,055 мкОм·м (микроом-метр). Более низкое значение имеют некоторые другие металлы, но их использовать невыгодно. Скажем, алюминий (0,028 мкОм·м) слишком легкоплавкий.
Эта же формула объясняет причину, по которой лампочки перегорают. Толщина спирали неодинакова на всем ее протяжении, и ее разрыв происходит, разумеется, в самом тонком месте. Пословица гласит в таком случае: «Где тонко — там и рвется». А вот физика объясняет, почему рвется тонкий участок нити накала. Поскольку сопротивление проводника напрямую зависит от площади его поперечного сечения, то нетрудно понять, что в тонком участке сопротивление резко увеличивается. Одновременно растет и мощность тока. Естествен но, с повышением мощности степень нагрева тонкого участка также возрастает. Этот участок активнее разрушается и в конечном итоге оплавляется, что приводит к разрыву нити.
Заканчивая рассказ о проводящих свойствах материалов, нельзя не затронуть явление сверхпроводимости. Обычно физики в широкой печати сетуют на то, что их преследуют неудачи в изучении секретов сверхпроводимости. В связи с этим далекие от физико-технических наук читатели обычно заключают, что сверхпроводящие материалы появятся лишь в далеком будущем, а пока являются чем-то из области фантастики.
В действительности же в наши дни многие загадки феномена сверхпроводимости разгаданы, получены некоторые необычные материалы, применяемые в современной технике. Получение таких материалов затруднено, поэтому они и не имеют широкого распространения. Но в любом случае недооценивать возможности науки нельзя. На сегодняшний день получены низкотемпературные, высокотемпературные и керамические сверхпроводники. К низкотемпературным относятся почти все виды данных проводящих материалов.
Высокотемпературные представлены несколькими веществами, в первую очередь сплавом из германия и ниобия, который проявляет сверхпроводящие свойства при температуре -251 °C. Он обозначает нижнюю температурную границу, а верхнюю границу физики желают поднять как можно выше. С 1987 г. ученые нашли немало материалов, которые становятся сверхпроводящими при температуре всего -148 °C. Керамические сверхпроводники были открыты в 1986 г. швейцарскими физиками. Это вещества группы металл оксидных керамик, которые начинают беспрепятственно пропускать ток при высоких температурах, около -230 °C.
Подобные материалы служат главным образом науке. На ускорителях заряженных частиц на питание магнитов затрачивается большая энергия, которая могла бы использоваться в других целях. Сверхпроводящие магниты обладают колоссальной мощностью при меньших энергетических затратах. Созданы диагностические медицинские приборы — компьютерные томографы, в которых применяется т. н. ядерно-магнитный резонанс. Магнитное устройство томографа, изготовленное из обычных проводников, делало бы его слишком громоздким и совершенно неудобным для работы врачей. Сверхпроводящие материалы обеспечили необходимую компактность и доступность универсального средства диагностики.
Во многих странах создаются экспериментальные «левитирующие» поезда на магнитной подвеске. Они разработаны специалистами Японии, США, Канады, Германии и Франции. Это сверхскоростные транспортные средства, движущиеся без трения. Они летят над монорельсом за счет магнитных сил, удерживающих их в воздухе и ведущих вперед.
Естественно, чудо-магнит удалось создать благодаря применению сверхпроводников. Магнитная подвеска для такого поезда должна обладать свойством сверхпроводимости. Еще в 1913 г. удалось установить, что сверхпроводящие материалы боятся интенсивных магнитных полей, но стремятся вытеснить их. Приближая к сверхпроводнику магнит, можно возбудить в поверхностном слое первого незатухающие токи. Они заэкранируют внешнее магнитное поле и заставят магнит висеть над проводником.
Другим замечательным применением сверхпроводимости в науке стало создание высокочувствительных приборов — измерителей напряженности магнитного поля, т. н. СКВИДов. Поскольку сверхпроводники стремятся заэкранировать внешнее магнитное поле, то они на него очень чутко реагируют. Магнитное поле проникает внутрь замкнутого проводника постепенно, квантами. Квант, как известно, является чрезвычайно малой величиной. Вот почему чувствительность СКВИДов очень велика. Они способны зарегистрировать проникновение минимальной величины магнитного потока. Применение СКВИДов позволило точно замерить магнитные поля сердца и головного мозга человека, что было бы невозможным с применением обычной аппаратуры.
Одним из самых примечательных достижений будущего в области техники сверхпроводников станет постройка электронной вычислительной машины на подобных материалах. Сверхпроводящие элементы, используемые в ядре чипа, будут обладать многочисленными достоинствами. Во-первых, крайне низкое сопротивление току приведет к ничтожному выделению тепла. А именно высокое тепловыделение элементов микросхем препятствует повышению их компактности. Во-вторых, скорость переключения такого элемента составит всего 1011 с, т. е. 10 миллиардных долей секунды! Сверхпроводящий компьютер будет отличаться высокой скоростью действия.
Электромагнитное поле
