Химия и Химики № 8 2013. Что можно сделать с электрической лампой?

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Лампа накаливания и горелка

Для экспериментов с магнетизмом понадобилась проволочка из никеля. В лампах накаливания электроды сделаны из платинита - сплава железа и никеля. Я надеялся, что в опыте по достижению температуры Кюри этот сплав заменит чистый никель.

Взял перегоревшую лампу накаливания. Чтобы извлечь электроды, лампу нужно просто разбить, но я решил для начала поэкспериментировать с колбой ("оболочкой") лампы. Нить накала лампы нагревается до очень высокой температуры, поэтому ее необходимо изолировать от действия кислорода воздуха.

Раньше лампы делали вакуумными: из стеклянной колбы откачивали воздух, однако при работе лампы раскаленная вольфрамовая спираль постепенно испаряется, пар металла оседает на холодных стенках. Именно это является основной причиной перегорания ламп. Иногда осевший на стенках колбы вольфрам хорошо заметен - он образует черный налет.

Перегоревшая лампа накаливания. Черный налет на стекле - вольфрам, который испарился из спирали и конденсировался на стенках

Обычно такой налет сравнительно равномерен, но встречаются и гораздо более интересные случаи.

В вакууме испарение вольфрама происходит быстрее, поскольку этому процессу не мешают столкновения атомов вольфрама с молекулами газа. Чтобы уменьшить испарение вольфрама, лампы стали заполнять разреженными инертными газами - аргоном или ксенон-криптоновой смесью, иногда - азотом.

Уже давно было интересно: как себя ведет такая лампа при нагревании? С одной стороны, колба заполнена газом, но с другой стороны газ разреженный. Для опыта взял лампу на 100 Вт (такие лампы заполняют аргоном), закрепил в штативе и направил на колбу пламя газовой горелки: сначала слабое, потом в полную силу. Я ожидал, что либо аргон прорвется из колбы через размякшее стекло наружу, либо наоборот - атмосферный воздух продавит дырку в стенках и заполнит колбу (в зависимости от того, каким будет давление нагретого аргона внутри колбы: повышенным или пониженным).

Пламя окрасилось в желтый цвет - за счет атомов натрия, которые содержатся в стекле. Стенки колбы раскалились до красного, а местами - до желтого свечения и стали сморщиваться: значит, в колбе таки сохранилось разрежение - несмотря на сильный нагрев. Однако целостность стенок сохранилась: атмосферный воздух их не продавил. Более того - по мере того, как лампа сморщилась, площадь стенок уменьшалась, а толщина - росла. Развернул лампу, направил пламя горелки на другую ее сторону - эффект тот же: стенки сморщились, но герметичность сохранилась. Была бы горелка помощнее, из лампочки можно было бы сделать сосульку..., но какая горелка есть - такая есть: пришлось закругляться.

Делать нечего: лампу пришлось разбить, чтобы извлечь железно-никелевые электроды. Кстати, кроме никеля в лампе также есть тонкая молибденовая проволочка, которая поддерживает спираль и расположена между электродами. Не следует также забывать и про саму вольфрамовую спираль. Так что пользуйтесь моментом, пока лампы накаливания не вышли из употребления.

Смотреть Видео (188 Мб, .avi )

Немного к другим результатам привели эксперименты с лампочкой участника Stas.

"Школьниками, помню, баловались: грели над газом старую лампочку - она корёжилась, сморщивалась. Решил повторить... Как же я удивился, когда стекло сначала вспучило (грел я в одном месте), а вскоре прозвучал и несильный хлопок - прорвало!"

Лампа, горелка и розетка

Описывая опыт по действию пламени горелки на колбу электрической лампы, мимо воли задумался: "А что, если взять не перегоревшую, а целую лампочку и во время опыта включить ее в розетку?"

Так и сделал: взял лампу на 100 Вт, включил ее и направил на колбу пламя газовой горелки. Яркий свет лампы мешал не только съемке видео, но и визуальному наблюдению: тусклое газовое пламя было практически незаметно на фоне яркой лампы. На видео же вместо раскаленного волоска видно сплошное сияние. Немногочисленные частички пыли, которые остались на колбе лампы, также мешали съемке видео своим рассеянием.

Однако, результат превзошел ожидания: в месте, где пламя было направлено на стекло быстро образовался пузырь, который лопнул. Я срезу же убрал горелку, однако первое время абсолютно ничего не происходило: лампа потеряла герметичность, но продолжала гореть! Лишь через несколько секунд стало заметно, что внутри колбы образуется белый дым, который оседает на стенках. Дыма становилось все больше и, наконец, лампочка погасла - без какой-либо вспышки, искр и т.п. Спираль стала в одном из мест слишком тонкой, это увеличило электрическое сопротивление, усилило разогрев (именно в этом месте), а, следовательно, и окисление вольфрама кислородом. Вскоре спираль порвалась.

Осевший на стекле дым представлял собой частики триоксида вольфрама (вольфрамового ангидрида) - продукта реакции между раскаленным вольфрамом и кислородом. Он образовал некое подобие буквы "П" (или "С"), конечно это не "лампа профессора Мориарти", но выглядит тоже неплохо.

Иногда случается, что лампы перегорают подобным образом: синеватая вспышка, легкий хлопок и лампа гаснет, а колба покрывается белым налетом. Нетрудно догадаться, что колба лампы потеряла герметичность и внутрь попал воздух. Кислород начал активно реагировать с раскаленным вольфрамом, переводя его в оксид. Именно поэтому перегорела лампа.

В нашем опыте хлопка и вспышки не было, но это не так принципиально. Видимо, дело в том, что при неожиданном перегорании лампы по описанному механизму колба успевала заполниться воздухом еще до включения лампы, а в нашем опыте воздух заполнял колбу постепенно, замещая аргон. Как горит лампа накаливания с заранее снятой колбой (т.е. на воздухе) описано в статье [1].

Кстати, теперь я понял, почему лампы накаливания заполняют инертным газом под пониженным давлением. Если колбу лампы наполнить газом под атмосферным давлением, то после включения лампы давление газа внутри сильно возрастет - за счет тепла спирали. Малейшее повреждение - и осколки стеклянной колбы полетят во все стороны.

__________________________________________________
¹ Как горит лампа накаливания на воздухе (без колбы)? [ссылка]

Смотреть Видео (49 Мб, .avi )