Химия и Химики № 6 2016. Что будет, если наполнить лампу накаливания (220 В) водой? Incandescent light bulb (220V) filled with water

Первые лампы накаливания имели угольный волосок и колбу, из которой был откачан газ. Т.е. сначала лампы накаливания вакуумировали. Потом колбы ламп накаливания стали заполнять инертным газом под низким давлением (азот, аргон, смесь криптона и ксенона). Все это необходимо, чтобы предохранить раскаленную нить лампы от действия воздуха.

Что случится со спиралью лампы на воздухе, легко проверить с помощью простых опытов. Если с лампы снять колбу, чтобы вольфрамовая спираль оказалась на воздухе, при включении лампы спираль ярко вспыхнет и сгорит [1]. Все произойдет быстро. Образуется белый дым вольфрамового ангидрида.

Горение вольфрамовой спирали на воздухе можно замедлить, если воздух будет поступать постепенно. Для этого на включенную лампу накаливание (с целой колбой) направляют узкое горячее пламя газовой горелки (можно использовать турбо-зажигалку), в результате стекло в месте контакта с пламенем плавится, вздувается и лопается. Через отверстие в колбу постепенно проникает воздух - в результате волосок постепенно сгорает, выделяя белый дым триоксида вольфрама [2]. Это длится минуту-две.

Как оказалось, если заполнить колбу лампы пропан-бутановой смесью, то эта инертная атмосфера будет не менее губительной для вольфрамовой спирали, чем воздух [3], зато если залить в колбу лампы накаливания жидкий бензол, ничего интересного не произойдет [4]: никаких взрывов или вспышек, как показывали в одном из шпионских фильмов (кстати, авторы утверждали, что фильм снят по мотивам реальных событий).

А как будет гореть спираль лампы накаливания под водой? Вода - окислительная среда, поэтому на первый взгляд вольфрамовая нить должна быстро сгореть, как на воздухе. Но не стоит спешить с ответом. Теплопроводность воды гораздо выше, чем теплопроводность воздуха (кроме того, у воды высокая теплоемкость и высокая теплота испарения - если дело дойдет до кипения), поэтому вода будет эффективно отводить тепло от вольфрама, не давая ему сильно нагреваться.

Еще один важный момент: электропроводность металлов зависит от температуры, точнее - падает при увеличении температуры. Электрическое сопротивление холодной вольфрамовой нити ниже, чем раскаленной. Поэтому если вольфрам останется холодным, возможно короткое замыкание (КЗ), чтобы этого не произошло, последовательно с "экспериментальной" лампой нужно включить "обычную" лампу (в качестве нагрузки) - она не даст току вырасти сверх меры.

Что бы не произошло с лампой, заполненной водой, другая лампа предохранит от неприятностей: даже если бы сопротивление первой лампы упало до нуля, это эквивалентно случаю, когда в сеть включена только вторая лампа, что вполне нормально. А вот включать в цепь только одну первую ("экспериментальную") лампу рискованно: если ее сопротивление упадет слишком сильно, это будет эквивалентно случаю, когда мы накоротко замкнем провода, включенные в розетку. Результатом станет фейерверк и выбитые пробки (или сработавшие защитные автоматы). А если не повезет - могут перегореть включенные в сеть бытовые электроприборы (холодильник, компьютер, телевизор и т.д.). На всякий случай перед опытом я все повыключал из розеток.

Итак, я включил в сеть (220 В) последовательно две лампы: на 75 Вт (экспериментальная) и на 100 Вт (лампа-предохранитель). Первая лампа загорелась ярко, вторая - тускло. На первую лампу направил острое и горячее пламя газовой горелки - стекло размякло, вздулось и лопнуло. Сразу же выключил лампы (чтобы спираль не успела перегореть). Первую лампу перевернул цоколем вверх и с помощью шприца заполнил ее водой - так, чтобы вольфрамовая спираль была под водой. (Позже оказалось, что для этой цели удобнее пользоваться пластиковой пипеткой, плюс отверстие в лампе нужно делать поближе к цоколю, чтобы вода смогла покрыть спираль в перевернутой лампе и не вытекала через дырку).

Итак, включил ток. Как я и ожидал, ничего катастрофического не произошло: погруженная под воду спираль осталась холодной и невредимой. Вторая лампа, которая до этого горела тускло, загорелась ярко.

Лампа превратилась в кипятильник. Причем в плохой кипятильник: с поверхности спирали выделялось немного пузырьков, стали заметны восходящие потоки воды, но после нескольких минут работы вода в лампе осталась холодной. Вода по каплям вытекала через боковое отверстие.

Отобрал шприцом воду из лампы - так, чтобы спираль была под самой поверхностью воды. Снова включил ток - ничего. Выключил ток, отобрал из колбы лампы еще воды - чтобы спираль оказалась над самой поверхностью (т.е. выше уровня воды). Включил лампу. Спираль в месте контакта с правым электродом ярко вспыхнула и перегорела. Вода больше не отводила тепло, вольфрамовая спираль нагрелась и сгорела.

(При замедленном просмотре видео заметно, что спираль сгорает не моментально: сначала загорается вторая - "предохранительная" лампа, только после этого спираль первой - "экспериментальной" лампы раскаляется, затем - перегорает).

При горении вольфрама на воздухе образовался белый дым триоксида вольфрама, который дал с водой белую суспензию.

Сквозь отверстие просунул внутрь лампы пинцет и пригнул правый электрод так, чтобы спираль лампы снова контактировала с обоими электродами. Поднял уровень воды в лампе так, чтобы концы спирали остались под водой, а ее средняя часть - над водой. Включил ток. - Ничего. С шипением стали образовываться пузырьки пара, но спираль снова не была раскаленной. Выключил ток, понизил уровень воды так, чтобы в воду был погружен только нижний конец спирали. Включил лампу. Спираль не накалилась. Подождал несколько минут - ничего. Выключил ток, опустил уровень воды ниже спирали. Включил ток. Спираль через пару секунд раскалилась и быстро сгорела.

Таким образом, спираль включенной лампы накаливания, будучи погружена в воду, остается холодной, зато, если ее вынуть на воздух - быстро сгорает.

Аналогично ведет себя кипятильник: после включения в розетку, он должен быть погружен в воду, которая отводит тепло. Если включенный кипятильник вынуть из воды, на воздухе он быстро перегорает (причем тем быстрее, чем выше его мощность).

__________________________________________________
¹ См. статью: Как горит лампа накаливания на воздухе (без колбы)? ч.1 [ссылка]

²См. статьи: Что можно сделать с электрической лампой? (Лампа накаливания и горелка) [ссылка] и Лампа накаливания и турбо-зажигалка. Incandescent light bulb and turbo lighter [ссылка]

³ См. статью: Лампа и пропан-бутановая смесь [ссылка]

⁴ См. статью: Электрическая лампа и бензол [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (161 Мб, .avi )