Как работает лампа накаливания и как ее делают?

31 Июл
2013

Предмет настолько изящный, что не претерпел значительных изменений за сотню лет. Смогут ли новые технологии положить конец классике?

Когда заканчивается день и наступает ночь, включается она. Немногие изобретения изменили нашу жизнь так, как лампочка.

Она превращает ночь в день, снимает одно из величайших ограничений природы. Благодаря триллионам сверкающих лампочек мир загорается при повороте выключателя, они такие яркие, что их видно даже с Луны.

Но вы когда-нибудь задумывались над тем, откуда берется этот свет, который мы воспринимаем как должное? Кажется, что лампочки устроены просто.

Каждая нить накала, сделанная и вольфрама, нагревается до невероятных 2500 °С, достаточных, чтобы вольфрам излучал белый свет. При такой температуре плавится золото. Свет происходит от электричества, проходящего через тонко закрученную проволочную спираль. Чем толще проволока, тем больше энергии может по ней проходить.

Но есть одна вещь, которая может остановить эту реакцию – кислород. Он враг, из-за него вольфрам сгорает в мгновение ока. Вот почему так нужны стеклянные колбы. Об этом очень хорошо известно производителям.

Одна из самых больших в мире фабрик, производящих лампочки классической формы, это фабрика Philips в Пиле, Польша. Здесь работают 3600 человек. Благодаря огромному спросу на их продукцию они трудятся посменно круглые сутки 7 дней в неделю. Конечно же, они не могут обойтись без лампочек.

В год здесь выпускают полмиллиарда лампочек, на их изготовление пошло столько же вольфрама, сколько нужно для 12 полетов на Луну.

Производство лампочек начинается не с металлических частей, а с самой колбы. Стекло изготавливают из смеси известняка, поташа – что-то типа соды, и песка. Фабрике нужны тонны различных материалов. Известь стабилизирует стекло, когда оно плавится, а поташ снижает температуру плавления. Ежегодно расходуются тысячи тонн песка.

Все ингредиенты смешиваются и помещаются в печь размером с офисное здание. Но еще один ингредиент вызывает удивление – само стекло. Переработанные разбитые лампочки, или стеклобой, ускоряют процесс плавления, сокращая количество энергии, необходимой для плавки компонентов. И все-таки нужно много энергии, чтобы достичь температуры в 1600 °С – горячее, чем расплавленная лава.

Расплавленное стекло выливают в литейную машину для изготовления колб. Насос высокого давления нагнетает воздух в лампочки для придания им окончательной формы и делает гладкой поверхность лампочки внутри. На этом этапе стекло еще жидкость, здесь должен быть тонкий баланс: если стекло будет остывать слишком быстро, то разобьется.

Каждая лампочка попадает на длинный конвейер и проходит ряд охладителей, которые медленно понижают температуру лампочки до 90 °С. Это напоминает о том, как непросто обращаться со стеклянными колбами, они легко разбиваются. Но почему лампочки не бьются при довольно грубом движении по конвейеру? Philips разработала ряд жестоких, но эффективных способов избежать этого.

Сначала вибрационный конвейер. Звучит безумно, но вибрационная машина сразу выявляет слабые лампочки и отсеивает их от прочных: если лампочка слишком слабая, то падает с конвейерной ленты. Это сродни эволюции: выживают сильнейшие. А те, что не уцелели, поступают в печь в качестве стеклобоя. Производительность составляет 50 тысяч лампочек в час, то есть 15 в секунду.

Когда каскады лампочек несутся по конвейеру, кажется, что ни одна не должна уцелеть. Но каждый поворот и наклон специально разработаны в пределах прочности стекла.

Но здесь делают не только стандартные лампочки. На этой фабрике изготавливают 300 различных наименований. Производство ламп дневного света –абсолютно другая процедура. Расплавленное стекло сразу вынимают из печи и вытягивают в длинную трубку на 15-метровом конвейере. Затем трубка обрезается и обрабатывается до нужного размера.

Вернемся к обычным лампочкам. Конвейер несет их туда, где они превратятся из склянок в лампы. Современный город ночью представляет собой удивительное зрелище. Но вскоре мы поймем, что все эти яркие огни – не больше, чем стекло, металл, немного газа и относительно простая химическая реакция.

Для превращения стеклянный колбы в электрический свет нужен удивительный танец механизмов. Этот изящный хорошо поставленный процесс соединяет стеклянный цоколь, проводники и проволочные стойки. Все это будет удерживать вольфрамовую спираль.

Цоколь нагревают до температуры плавления там, где нужно вставить проволоку, затем зажимают и постепенно охлаждают, чтобы снизить вероятность трещин. Теперь цоколь можно соединить с колбой. Все, что сейчас нужно – вольфрамовая нить.

Вольфрам – единственный металл, способный непрерывно излучать свет, любой другой тускнеет через несколько минут или в лучшем случае часов. Как ни удивительно, но он остается основным компонентом лампы накаливания с тех пор, как Томас Эдисон раскрыл его особенность более 120 лет назад в 1879 году.

Нить лампы накаливания изготовлена из проволоки длиной 1 метр. Люди и не подозревают, сколько процедур необходимо для ее производства.

Проблема всегда заключалась в том, что большинство металлов плавились до того, как достигали свечения, или быстро сгорали. Но не вольфрам. Он начинает светиться при температуре 1300 °С. Но проблема вольфрама в том, что при соприкосновении с воздухом он не работает. Колба как раз и нужна, чтобы он находился в вакууме, и чтобы быть уверенным, что вольфрам будет продолжать ярко гореть. Его опускают в химический состав, который сожжет остатки кислорода внутри лампочки в момент ее первого включения.

Далее цоколь и лампочка соединяются вместе. Как только лампочка загерметизирована, внутрь закачивают аргон, он вытеснит остатки кислорода и увеличит ресурс вольфрама. Но это не гарантия: все еще есть вероятность того, что кислород останется в каком-нибудь уголке.

У лампочки пока нет ножки. Пришло время закрепить металлическую основу – колпачок. Перед тем, как лампочку зажгут в первый раз, к ней приваривают колпачок и припаивают контакты. Если процесс прошел удачно, то образуется клуб дыма и в лампочке будет вакуум, если нет, то она сгорит.

Несмотря на то, что за 120 лет производство изменилось очень мало, перемены грядут: несмотря на блестящую конструкцию, по нынешним меркам обычная лампа неэффективна. Это «пожиратель» электричества, который преобразует в свет только 5% энергии, оставшиеся 95% уходят на нагревание и на инфракрасное излучение, невидимое для человеческого глаза. Разрабатываются другие более эффективные виды лампочек. Лампы дневного света работают в 20 раз дольше и излучают на 75% больше света.

Лампочки будущего могут зависеть от того же химического вещества, что помогает малышам – оксида цинка. Это поможет преобразовывать электричество в свет в 10 раз эффективнее и служить в 10 раз дольше, чем стандартная лампочка. Это позволит вдвое сократить потребление электричества на планете, только в США удастся сэкономить 35 миллиардов долларов в год.

Вскоре традиционная лампочка может исчезнуть вообще. Даже при жизни людей, производящих этот простой шедевр, лампа накаливания может стать музейным экспонатом, антикварной приметой 20 века.


 

Комментарии:

наверх