Главная страница

Богданов - Прогулки с физикой. А. И. Черноуцан (ученый секретарь)


Скачать 7,32 Mb.
НазваниеА. И. Черноуцан (ученый секретарь)
АнкорБогданов - Прогулки с физикой.pdf
Дата20.10.2017
Размер7,32 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаBogdanov_-_Progulki_s_fizikoy.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#5449
страница1 из 10
Каталогid187134627

С этим файлом связано 79 файл(ов). Среди них: Zubrilina_S_N_-_Spravochnik_po_yuvelirnomu_delu_Spravochnik_-_20, Russkiy_graficheskiy_diazayn_-_1880-1917.pdf и ещё 69 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

1

2
ISBN 5-85843-063-5
©
Бюро Квантум, 2006
Серия
«Библиотечка «Квант»
основана в 1980 г.
УДК [001+62]:53(078)
ББК 72+30я7
Б73
Б73 Богданов К.Ю.
Прогулки с физикой. – М.: Бюро Квантум, 2006. —
192 с. (Библиотечка «Квант». Вып. 98. Приложение к жур- налу «Квант» № 6/2006.)
ISBN 5-85843-063-5
Книга представляет собой краткое изложение дополнительного курса по физике «Наука и техника для любознательных», прочитанного автором в одной из московских школ. На многочисленных примерах показано, как использование известных законов физики помогает раскрыть загадки явлений природы, повседневной жизни и жизни человеческого общества.
Для учащихся и учителей средних школ, лицеев и гимназий, для членов и руководителей физических кружков и факультативов, а также для всех тех, кому просто интересна физика.
ББК 72+30я7
РЕДАКЦИОННАЯ
КОЛЛЕГИЯ
:
Б.М.Болотовский, А.А.Варламов, В.Л.Гинзбург,
Г.С.Голицын, Ю.В.Гуляев, М.И.Каганов, С.С.Кротов,
С.П.Новиков, Ю.А.Осипьян (председатель),
В.В.Произволов, Н.Х.Розов, А.Л.Стасенко, В.Г.Сурдин,
В.М.Тихомиров, А.Р.Хохлов,
А.И.Черноуцан (ученый секретарь)

3
СВЕТЛОЙ ПАМЯТИ
ТАНЕЧКИ БОГДАНОВОЙ (ГЛАЗОВОЙ)
ПОСВЯЩАЮ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обычно физику изучают по учебникам – cначала обо всем понемножку, а в старших классах уже подробнее и по заведен- ному давным-давно расписанию: механика, тепловые явления, элек- тродинамика, колебания и волны, оптика и, наконец, квантовая физика. Самые талантливые ученые и педагоги непрерывно совер- шенствуют методику преподавания физики в средней школе, обнов- ляя материал старых учебников и создавая новые.
Физические законы открывают перед нами правила, по которым живет природа, тайны устройств и механизмов вокруг нас. Знание законов и умение решать задачи дает нам возможность исследовать окружающий мир и объяснять то, что раньше казалось необъясни- мым. Оглянемся вокруг. На все ли «Почему?» и «Как?» мы можем без труда ответить? Наверняка, нет! Так давайте потрудимся, по- размышляем, сравним возможные варианты и попробуем найти ответы на разные, в том числе «неочевидные», вопросы. Сделав это,
мы станем лучше чувствовать физику явлений. Ведь обучаться физике, как и всему другому, можно не только по учебникам, но и исследуя окружающий нас мир. Иностранный язык, например,
можно выучить, просто поехав в ту страну, где на нем говорят. А нам повезло, поскольку страна-физика всегда вокруг нас и нам никуда не надо ехать. Так будем же учиться ее языку, наблюдая и объясняя все происходящее вокруг. Ведь слово «физика» в переводе с греческого означает «природа».
Читая эту книгу и отвечая на простые и сложные вопросы, вы откроете для себя законы природы в будничных фактах и явлениях.
Физика – очень полезная наука. Так, правило рычага дает совет,
как, не надорвавшись, поднимать большие тяжести, а закон Архи- меда – как строить новые корабли. Законы Ньютона учат метко стрелять и запускать ракеты, а законы термодинамики – конструи- ровать холодильники и автомобильные двигатели. И, конечно же,
без знания физики было бы просто невозможным создание различ- ных технических и электронных устройств, в том числе и компью- теров. Поэтому можно считать, что именно физика в течение тысячелетий толкала человечество по пути прогресса.
Однако физика не только сделала нашу жизнь более комфорт-

4
ной, но и дала возможность узнать, как устроены мы сами, открыть причины многих болезней и найти методы их лечения. Большинство работ по биологии и медицине, удостоенные Нобелевских премий,
были бы невозможны без участия физиков. Физические модели общества позволяют предсказать, каким будет наше общество в будущем, а физические модели биржевых торгов – какими будут цены на акции завтра. Физика соединяет между собой многие отрасли знаний: астрономию, химию, биологию, социологию, эко- номику, географию, геологию и другие науки в мощное орудие познания.
Предлагаемая вашему вниманию книга представляет собой крат- кое изложение курса лекций «Наука и техника для любознательных»,
прочитанных автором ученикам 10–11 классов московской школы
1326 в течение 2003–2006 годов. В книге на многочисленных примерах показано, как использование известных законов физики помогает раскрыть загадки явлений природы, повседневной жизни и человеческого общества. Многие главы книги были до этого опубликованы в научно-популярном физико-математическом жур- нале для школьников и студентов «Квант» и в газете «Физика»
(Издательский дом «Первое сентября»).
Книга может быть использована учителями физики при разра- ботке программ профильного или углубленного изучения предмета,
для проведения факультативных и кружковых занятий и чтения дополнительных курсов. Старшеклассники средних школ, лицеев и гимназий смогут воспользоваться материалами книги при выборе тем и при подготовке докладов на школьных или иных научно- практических конференциях. А вообще, книга адресована всем тем,
кто считает себя любознательным.
Считаю своим приятным долгом выразить благодарность дирек- тору школы 1326 Н.М.Сальникову, который пригласил меня про- честь этот курс лекций. Кроме того, я очень благодарен главному редактору газеты «Физика» Н.Д.Козловой, которая предложила опубликовать несколько лекций моего курса на страницах газеты и этим приблизила рождение данной книги. Особенно хочется отме- тить полезные замечания заместителя главного редактора журнала
«Квант» А.И.Черноуцана, первого читателя многих глав этой кни- ги, и выразить ему мою искреннюю благодарность. Счастливая идея опубликовать эту книгу в серии «Библиотечка «Квант» пришла члену редколлегии «Кванта» Ю.М.Бруку во время долгих телефон- ных разговоров с ним, за что я его тоже благодарю.
К.Ю. Богданов

5
ГЛАВА 1
ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ
ДЛЯ ПОКУПАТЕЛЕЙ ЛАМПОЧЕК
Освещенные окна домов и улицы, огни рекламы и проносящихся мимо автомобилей – все это приметы нашей цивилизации. Искусственное освещение сделало человека менее зависимым от солнечного света. Держа в руках горящий факел,
люди могли передвигаться по ночам и устраивать ночлег в глубине пещер, где до сих пор находят их наскальные рисунки.
Свет факелов сделал рабочий день первобытных людей более продолжительным и продуктивным, способствуя таким образом прогрессу человечества. С тех пор как человек впервые исполь- зовал факел для освещения, прошло несколько десятков тысяч лет, но и сейчас, сами того не замечая, мы продолжаем исполь- зовать факелы, ведь слово «лампа» происходит от греческого
ODPSD , что означает факел.
До конца XIX века искусственное освещение было газовым или керосиновым и всегда сопровождалось копотью, а иногда и искрами, от которых легко мог возникнуть пожар. При горении концентрация кислорода в воздухе помещения уменьшалась, а углекислый газ накапливался – становилось душно. Даже если зажигали много светильников одновременно, света не хватало.
Да и горючее стоило дорого.
Научные исследования В.В.Петрова (1761–1834), Г.Дэви
(1778–1829), П.Н.Яблочкова (1847–1894), А.Н.Лодыгина
(1847–1923) и Т.Эдисона (1847–1931) дали человечеству пер- вую газоразрядную лампочку (свеча Яблочкова) и лампу нака- ливания, открыв эру электрического освещения – без копоти,
газа и дыма. Электрическая лампа была пожаробезопасна, ее не нужно было регулярно открывать, чтобы заправить горю- чим или подправить фитиль. Годом рождения электрического освещения считают 1880 год, и с тех пор у электрической лампы нет конкурентов.
Известные и неизвестные имена в ламповом семействе.
Наступает день, и мы идем в магазин, чтобы выбрать подходя- щую лампу для дома или офиса. Какую лампу выбрать? Почему они такие разные по виду и цене? И вообще, чем они отличаются друг от друга?
Существуют два основных типа ламп:

6
C лампы накаливания, источником света в которых служит раскаленная металлическая нить (спираль);
C газоразрядные, свет в которых возникает из-за электричес- кого разряда в лампах, наполненных различными газами.
Однако лампы накаливания бывают разные: аргоновые,
криптоновые, ксеноновые, галогенные и кварц-галогенные. В
свою очередь, газоразрядные лампы подразделяются на те, где газ внутри находится:
под низким давлением (лампы дневного света, или люминес- центные, ультрафиолетовые и так называемые неоновые лампы рекламных огней);
под высоким давлением (ртутные паросветные лампы, натри- евые дуго-разрядные и металлогалогенные лампы).
Газоразрядные лампы высокого давления обладают огромной яркостью и не предназначены для домашних условий. Они широко используются в осветительных установках различных коммерческих помещений, выставок, торговых центров, служеб- ных помещений, гостиниц и ресторанов, для подсветки реклам- ных щитов и витрин, для освещения спортивных сооружений и стадионов, для архитектурной под- светки зданий и сооружений.
Что касается ламп накаливания
(рис.1), то здесь вроде бы все ясно.
Через вольфрамовую нить прохо- дит электрический ток, накаляет ее добела, и она становится источником света. Непонятно только, зачем лампы накаливания заполняют то аргоном, то криптоном, а то и галогенами. Назва- ния остальных ламп вызывают еще больше вопросов. То, что разряд молнии может на мгновение осветить все вокруг, доказы- вать не надо, но как такие же разряды через наполненную паром
Рис.1. Схематический разрез обыч- ной лампы накаливания: 1 – опоры,
фиксирующие положение спирали;
2 – вольфрамовая нить, свернутая в спираль; 3 – стеклянная колба лам- пы; 4 – стеклянная стойка, поддер- живающая опоры спирали; 5 – вин- товой электрический контакт; 6 –
изолятор; 7 – нижний электрический контакт лампы; 8 – инертный газ,
заполняющий лампу накаливания

7
лампу могут быть источником постоянного света? И вообще,

откуда берется свет?
Свет излучают вещества, доведенные до раскаленного состо- яния. В пламени свет излучают раскаленные частички сажи, а в лампе накаливания – вольфрамовая нить. Кстати, в первых лампах ток пропускали через хлопковые нити, покрытые уголь- ной пылью, и только в 1915 году американский физик И.Ленг- мюр (1881–1957), будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1932 г.), предложил изготовливать нити накаливания из самого тугоплавкого металла – вольфрама, что в несколько раз увеличило срок их службы и яркость.
Чем выше температура нити, тем бoльшая часть энергии,
подводимой к лампе, излучается в виде света. Но чем ближе температура нити к температуре плавления вольфрама (3380
°
С),
тем быстрее нить испаряется, а лампочка перегорает. Чтобы замедлить испарение нити, Ленгмюр предложил заполнять лам- пы накаливания инертным газом. Это увеличивает срок службы ламп до 1000 часов.

Инертный газ внутри ламп накаливания. Почему заполне- ние ламп накаливания инертным газом замедляет испарение?
Представим себе, что одна из молекул вольфрама, находящаяся на поверхности нити, получив от соседей достаточно энергии,
чтобы «испариться», покидает поверхность, но сразу же натал- кивается «лоб в лоб» на подлетающую к нити молекулу газа.
Очевидно, что результатом такого столкновения будет возвраще- ние «блудной» молекулы вольфрама обратно к нити. А значит,
присутствие газа в лампе накаливания должно замедлять испа- рение вольфрама. С другой стороны, чтобы вольфрам не поте- рял свое уникальное свойство – быть самым тугоплавким метал- лом, этот газ не должен вступать в химическую реакцию с вольфрамом, т.е. должен быть инертным. Но какой инертный газ выбрать?
К инертным (или благородным) газам относятся шесть эле- ментов – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, находя- щихся в VIII группе периодической системы Менделеева. Свое название они получили за то, что практически не вступают в химические реакции даже при высоких температурах. Внешняя электронная оболочка их атомов заполнена полностью, что препятствует соединению с другими атомами, делая эти газы инертными.
Первым, в 1868 году, обнаружили гелий, но не на Земле, а на
Солнце. Это сделали астрономы, когда стали изучать спектр испускаемого солнечным диском света. Линия в этом спектре

8
указывала на присутствие неизвестного химического элемента.
Его назвали гелий – латинское helium от греческого helios, т.е солнце, считая, что открыли свечение одного из неизвестных металлов, находящихся на поверхности Солнца. Поэтому окон- чание «ium» в его названии соответствовало металлической природе открытого элемента. Спустя много лет оказалось, что гелий не металл, а самый легкий из инертных газов, но название осталось прежним. Открытие всех инертных газов (кроме радо- на) было сделано при активном участии У.Рамзая (1852–1916)
в самом конце XIX века, и за это ему была присуждена
Нобелевская премия по химии (1904 г.). И конечно, все инерт- ные газы (кроме гелия) получили названия, оканчивающиеся на
«on», принятые для газов.
Выбирая инертный газ для ламп накаливания, учитывали его свойства и доступность (цену). Радон, являясь продуктом радио- активного распада радия, сам обладал радиоактивностью и поэтому сразу же был исключен из списка возможных кандида- тов. Гелий (относительная молекулярная масса 4) был чересчур легким для того, чтобы отталкивать испаряющиеся атомы воль- фрама (относительная молекулярная масса 184) обратно к нити.
Неон (относительная молекулярная масса 20), хотя и был тяжелее гелия в 5 раз, но стоил раз в 10 дороже. Следующим в списке был аргон (относительная молекулярная масса 36).
Концентрация аргона в атмосфере – около 1%, и поэтому он является самым дешевым из инертных газов. Концентрация криптона в атмосфере Земли в 7000 раз меньше, а ксенона – в
200000 раз меньше, чем у аргона, что делало их производство очень дорогим. Все это на долгое время определило выбор изготовителей ламп накаливания: аргон.
Однако со временем новые технологии сделали производство криптона (относительная молекулярная масса 72) (и ксенона,
относительная молекулярная масса 108) относительно дешевым,
что позволило использовать криптон вместо аргона при заполне- нии ламп накаливания. Как и следовало ожидать, срок службы криптоновых ламп увеличился, по сравнению с аргоновыми.
Кроме того, криптоновые лампы позволяют увеличить темпера- туру раскаленной вольфрамовой нити, сохраняя тот же срок службы, что и у аргоновых. В результате яркость криптоновых ламп может быть на 10% выше, чем у аргоновых ламп той же мощности.
Галогенная лампа – современный предел для лампы нака- ливания. Обычная лампа накаливания, даже наполненная крип- тоном, обладает рядом недостатков. Один из них – относительно

9
большие размеры, так как стекло лампы может расплавиться,
если приблизить его к спирали достаточно близко. Можно,
конечно, вместо обычного стекла использовать кварцевое, темпе- ратура плавления которого гораздо выше. Однако только замена обычного стекла на кварцевое не позволяет получить компакт- ную лампу накаливания. Испаряющийся вольфрам, осаждаясь на меньшую поверхность лампы, быстро затемняет ее, блокируя свет, идущий от раскаленной нити.
В 1958 году в компании «Дженерал электрик» (General
Electric) было найдено технологическое решение – так называ- емый галогенный цикл, с помощью которого можно удалять с внутренней поверхности стекла осевшие там атомы вольфрама.
Чтобы галогенный цикл заработал, лампу накаливания надо заполнить смесью инертно- го газа (аргона или крипто- на) и газа-галогена (напри- мер, брома), а поверхность стекла приблизить так близ- ко к раскаленной нити, что- бы его температура стала выше 200
°
С. Галогенный цикл (рис.2) работает сле- дующим образом:
1 – испарившаяся моле- кула вольфрама движется по направлению к стеклу лам- пы и осаждается на нем;
2 – находясь на поверх- ности лампы, молекула воль- фрама образует молекулу с атомом брома и переходит в газообразное состояние;
3 – молекула вольфрам-бром движется с конвективными потоками газа и случайно «натыкается» на раскаленную спираль лампы;
4 – оказавшись на спирали, соединение вольфрама и брома диссоциирует (распадается) на вольфрам, остающийся на спира- ли, и бром, уходящий в газ, наполняющий лампу.
Таким образом, галогенный цикл очищает внутреннюю по- верхность стекла от осаждающихся там молекул вольфрама и одновременно восстанавливает целостность вольфрамовой нити.
Поэтому использование галогенного цикла позволяет умень- шить размеры ламп накаливания, что делает их незаменимыми
Рис.2. Схема галогенного цикла: 1–
4 – последовательные этапы цик- ла; a – вольфрамовая нить; b – кол- ба лампы, сделанная из тугоплавко- го стекла; крупные кружочки – ато- мы вольфрама, мелкие – галогена

10
в качестве источника света, например в автомобильных фарах, и поднять темпе- ратуру нити с 2500 до 3000
°
С. В резуль- тате галогенные лампы обладают не толь- ко удвоенным ресурсом работы (2000 ча- сов), но и увеличенной на 20% яркостью по сравнению с обычными лампами нака- ливания такой же мощности. Иными сло- вами, они экономят энергию, расходуе- мую на освещение. Галогенные лампы мо- гут иметь самые различные формы, но их размеры, как правило, меньше, чем у обыч- ных ламп накаливания (рис.3).
Как зажечь свет вдали от электричес- кой розетки. Как правило, мы вспоминаем об электрическом фонарике только тогда,
когда у нас дома гаснет свет. Электричес- кий фонарик, работающий на батарейках или аккумуляторах,
служит одним из примеров низковольтных источников освеще- ния. А самым распространенным низковольтным источником освещения являются, конечно, автомобильные фары. Кроме того, низковольтное освещение широко используется там, где велика вероятность поражения электрическим током, – при подсветке бассейнов и фонтанов, а также загородных домов
(рис.4).
Большинство современных низковольтных ламп накалива- ния – это галогенные лампы, работающие от напряжения 12 В.
Рис.3. Миниатюр- ная галогенная лам- па (слева) и обыч- ная лампа накалива- ния (справа)
Рис.4. Низковольтная лампа накаливания с параболическим отража- телем (слева) и ее использование для локальной подсветки снаружи загородного дома

11
Низкое электрическое напряжение позволяет сделать эти лампы не только электрически безопасными, но и сверхминиатюрными.
И вот почему. Электрический ток через обычную галогенную лампу и низковольтную одинаков, так как его величина опреде- ляется только диаметром вольфрамовой нити. С другой стороны,
закон Ома требует, чтобы в низковольтных лампочках, где электрическое напряжение уменьшено в 20 раз, сопротивление электрическому току было уменьшено тоже в 20 раз по сравне- нию с обычными галогенными лампами, предназначенными для напряжения в 220 В. Таким образом, длина нити накаливания в низковольтных лампах приблизительно в 20 раз меньше, что и обеспечивает источнику света очень малые размеры (точечный источник света).
Источники света малых размеров широко используются для получения практически параллельных пучков света, для чего источник помещают в фокусе параболического зеркала. Парал- лельные пучки света применяют для локального освещения объектов и избранных направлений в окружающем простран- стве, что, очевидно, позволяет снизить энергетические расходы на освещение. Поэтому низковольтные лампы накаливания,
снабженные параболическим зеркалом, чаще всего используют в тех случаях, когда необходима локальная подсветка.
Еще одно преимущество низковольтных ламп – высокая устойчивость к тряске. Это их свойство опять следует из малой длины и массы их нити накаливания. В результате силы инер- ции, возникающие при ускорениях лампы и являющиеся основ- ной причиной разрыва нити накаливания, приблизительно в 20
раз меньше, чем у ламп, рассчитанных на 220 В. А значит, и устойчивость низковольтных ламп к тряске во столько же раз выше.
Однако низковольтные лампы не лишены и недостатков. Тем,
кто не хочет возиться с батарейками и аккумуляторами, необхо- димо приобрести трансформатор, понижающий напряжение с
220 В до той величины, для которой предназначена низковоль- тная лампа. Это несколько удорожает и усложняет установку низковольтного освещения.
Газоразрядная лампа: светит, но не греет. Главным недо- статком ламп накаливания является то, что бoльшая часть энергии, расходуемой на освещение, тратится на нагрев ламп.
Даже в самых экономичных галогенных лампах только 10%
затраченной энергии превращается в свет, а остальные 90% – в тепло. Однако имеется и другой способ сделать свет из электри- чества – электрический разряд.

12
Электрический дуговой разряд в воздухе впервые описал
Василий Владимирович Петров в 1802 году. Ослепительно яркий свет электрической дуги тогда давал надежду, что со временем люди смогут отказаться от свечей, лучины, керосино- вой лампы и даже газовых фонарей. Однако в первых дуговых светильниках приходилось постоянно сдвигать поставленные
«носами» друг к другу угольные электроды, и поэтому они достаточно быстро выгорали. В 1875 году Павел Николаевич
Яблочков предложил надежное и простое решение. Он располо- жил угольные электроды параллельно, разделив их изолирую- щим слоем. Изобретение имело колоссальный успех, и «свеча
Яблочкова», или «русский свет», нашла широкое распростране- ние в Европе.
Свеча Яблочкова, став первой серийно выпускаемой газораз- рядной лампой, обладала двумя преимуществами по сравнению с лампами накаливания Эдисона: во-первых, ее свет был белым,
а не желтоватым, как у ламп накаливания, и, во-вторых, она давала бульшую яркость по сравнению с лампами накаливания той же мощности. Поэтому она, например, в течение многих лет использовалась в качестве лампы кинопроекторов, пока не появились более совершенные источники света – ксеноновые и галогенные лампы. Свечу Яблочкова можно считать «бабушкой»
всех современных газоразрядных ламп.
Ну, а «папой» современных ламп дневного света (или люми- несцентных ламп) стало изобретение американского физика
П.Хьюита, предложившего в 1903 в качестве источника света использовать электрический разряд между электродами в стек- лянной лампе, заполненной парами ртути. Позже установили,
что бульшая часть излучения дуговой лампы Хьюита – ультра- фиолетовая, т.е. невидимая для глаза человека. Для того чтобы сделать ее видимой, предложили покрывать лампы Хьюита изнутри специальным веществом, люминофором, которое погло- щало бы ультрафиолетовое излучение, а взамен излучало види- мое. Сначала для этого выбрали бериллий, но он оказался очень токсичным (особенно вредным для легких), а потом останови- лись на фосфоре. Покрытые изнутри фосфором, лампы Хьюита получили название люминесцентных и стали широко использо- ваться в освещении с 1938 года. Основными преимуществами люминесцентных ламп, по сравнению с лампами накаливания,
стали их гораздо больший световой выход – доля энергии,
превращаемой в свет, достигала 40% , и увеличенный в шесть раз рабочий ресурс – продолжительность работы лампы до того, как она выходит из строя. А это значит, что люминесцентные лампы

13
более долговечны и экономичны по сравнению с лампами нака- ливания. К сожалению, у люминесцентных ламп, как и у всех газоразрядных, есть и недостатки – они дороже, их невозможно сделать очень маленькими, а в качестве источника электрическо- го напряжения нельзя использовать низковольтные (1,5–12 В)
батарейки или аккумуляторы.
Почему лампы дневного света так сложно устроены. Мно- гие нелестно отзываются о лампах дневного света, считая, что мигание при включении и гудение при работе делают их исполь- зование дома весьма проблематичным. Однако это неверно, так как современные модели люминесцентных ламп лишены этих недостатков. Но сначала разберемся, как работает обычная люминесцентная лампа, имеющая форму длинной цилиндричес- кой трубки. Как видно (рис.5), лампа дневного света, вообще говоря, не лампа, а электрический прибор, состоящий из соб- ственно лампы (4), которая светится, когда внутри нее происхо- дит электрический разряд, стартера (5), разогревающего элект- роды лампы перед возникновением разряда, и дросселя (6),
ограничивающего величину электрического тока через лампу.
Чтобы в газоразрядной лампе возник электрический разряд,
напряжения сети (220 В) между ее электродами недостаточно,
так как газ внутри нее, состоящий из смеси аргона и паров ртути
(1%), не является проводником электричества. Условием воз- никновения разряда является ионизация этого газа, т.е. расщеп- ление части атомов газа на электроны и положительно заряжен- ные ионы. Делается это с помощью стартера, который на короткое время (1–2 с) включает нагрев металлических элект- родов (вольфрамовых спиралей), находящихся в противопо- ложных частях лампы. Как только электрод нагреется, часть
Рис.5. Как устроена люминесцентная лампа (слева) и как она под- ключается к сети (справа): 1 – вольфрамовые спирали; 2 – смесь паров ртути и аргона, заполняющая лампу; 3 – люминофор (фосфор),
покрывающий внутреннюю поверхность лампы; 4 – лампа в схеме подключения; 5 – стартер; 6 – дроссель

14
электронов испарится с его поверхности и под действием элект- рического поля начнет двигаться к противоположному электро- ду, время от времени натыкаясь на атомы газа. Столкновение летящего электрона с нейтральным атомом газа вызывает иони- зацию последнего, в результате чего количество свободных электрических зарядов лавинообразно увеличивается, в лампе возникает электрический разряд, а столкновение заряженных частиц с атомами ртути сопровождается ультрафиолетовым свечением. После возникновения электрического разряда подо- гревать электроды уже не нужно, так как электрический разряд сам поддерживает необходимый уровень ионизации.
Стартеры, хотя и могут являться самыми различными уст- ройствами, представляют собой тумблер (замыкатель), на ко- роткое время замыкающий два контакта. На рисунке 6 показа- но внутреннее устройство самого распростра- ненного стартера, которым оснащены большин- ство ламп дневного света. Как видно, стартер
– это параллельное соединение неоновой лам- почки (3) и электрического конденсатора (6). Левый электрод неоновой лампочки (4) изогнут в виде перевернутой буквы
«U» и представляет собой биметаллическую пластинку, т.е.
спаян из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения. А это значит, что при нагревании этот электрод может разгибаться, принимая форму, близкую к «Г». При включении лампы в электрическую сеть все напряжение (220 В)
прикладывается к неоновой лампочке, а так как расстояние между электродами лампочки всего около 1 мм, то даже без предварительного нагрева электродов в ней возникает электри- ческий разряд. Сразу после начала разряда левый электрод
(4) неоновой лампочки, разогреваясь, начинает разгибаться и,
наконец, касается правого электрода (5). Как только это про- исходит, неоновая лампочка гаснет, и ток из электрической
Рис.6. Схематическое изображение внутреннего ус- тройства стартера люминесцентной лампы: 1, 2 –
электрические контакты стартера; 3 – неоновая лампочка; 4 – электрод неоновой лампочки, изогну- тый в виде перевернутой буквы U; 5 – другой элек- трод неоновой лампочки; 6 – электрический кон- денсатор. Пунктирной линией обозначено положе- ние конца разогретого электрода (4) неоновой лам- почки

15
сети переключается на нагрев электродов лампы дневного све- та. Со временем неоновая лампочка, электрический разряд в которой прекратился, начинает остывать, а вместе с ней осты- вает и биметаллическая пластинка левого электрода. Через
1–2 с неоновая лампочка остывает настолько, что контакт между ее электродами исчезает, и напряжение электрической сети опять прикладывается к люминесцентной лампе. Но сей- час в лампе дневного света электроды уже разогреты, и в ней возникает электрический разряд. Электрический конденсатор
(6), замыкающий контакты стартера, уменьшает электромаг- нитные помехи, возникающие при размыкании и замыкании электродов неоновой лампочки.
Если бы в лампе дневного света не было дросселя (индуктив- ного сопротивления переменному току), то ток через нее мог бы превысить допустимый предел, и она бы перегорела, поэтому использовать люминесцентные лампы без дросселей нельзя.
Старые модели дросселей представляли собой половину элект- рического трансформатора (катушка провода с металлическим сердечником), и пропускание через них переменного тока часто- той 50 Гц вызывало жужжание или гул. Новые модели ламп дневного света оснащены специальными электронными ограни- чителями тока и поэтому бесшумны.
При включении люминесцентные лампы, как правило, не- сколько раз мигают. Связано это может быть с:
C низкой температурой окружающей среды, когда одиночно- го прогрева электродов лампы бывает недостаточно для иници- ации электрического разряда;
C плохим состоянием электродов лампы, когда их нагрев не приводит к достаточному испарению электронов из них;
C неисправностью стартера, когда, например, электроды нео- новой лампочки замыкаются на очень короткое время, недоста- точное для разогрева электродов лампы дневного света.
И все-таки, несмотря на кажущуюся сложность работы люми- несцентных ламп и их относительную дороговизну, по сравне- нию с лампами накаливания, им всегда следует отдавать пред- почтение, так как лампы дневного света позволяют в 3–4 раза снизить энергозатраты на освещение. Кроме того, как показыва- ет простой расчет, эксплуатация ламп, обладающих в шесть раз бульшим рабочим ресурсом и гораздо меньшими энергозатрата- ми, быстро окупает расходы на их приобретение.
Компактные люминесцентные лампы – рекомендация спе- циалистов. Человека очень тяжело убедить сменить освещение в своем доме со старого, использующего лампы накаливания, на

16
новое – с люминесцентными лампами, даже если они не мигают и не гудят при работе. Для этого нужно выбрасывать и покупать новые люстры, бра и настольные лампы – ведь все эти освети- тельные приборы содержат так называемый патрон, который годится только для ламп накаливания. Казалось бы, модерниза- ция освещения требует очень больших затрат времени и денег.
Однако, есть выход.
В начале 1980-х годов были разработаны компактные лю- минесцентные лампы, обладающие всеми достоинствами ламп дневного света, но устроенные так, что их можно ввинчивать в патрон для обычной лампы накаливания (рис.7). Как и многие современные модели ламп дневного света, эти лампы при рабо- те не гудят и не мерцают, так как вместо стартера и дросселя они содержат электронный пускорегулятор, обеспечивающий их бесшумную и стабильную работу. Очевидно, что использо- вание компактных люминесцентных ламп позволяет значитель- но снизить материальные затраты при переходе на энерго- сберегающие технологии при освещении нашего дома.
Светодиоды – лампы будущего. Незаметно для многих из нас происходят, можно сказать, революционные события – к власти приходят полупроводниковые осветительные устрой- ства, светодиоды. Раньше светодиоды использовали только в качестве зеленых и красных индикаторных лампочек, дающих
Рис.7. Внешний вид нескольких компактных люминесцентных ламп,
содержащих электронный пускорегулятор и оканчивающихся таким же винтовым контактом, как и у обычных ламп накаливания

17
возможность следить за работой различных электронных уст- ройств. Сейчас же они начинают конкурировать с лампами накаливания и люминесцентными лампами. Происходит это потому, что светодиоды гораздо более эффективно преобразу- ют электрическую энергию в световую.
Схема, иллюстрирующая строение светодиода и его работу,
показана на рисунке 8. Так, например, уже сейчас светоотдача
(отношение световой энергии к расходуемой электрической)
диодов, испускающих красный свет, в 10 раз превышает тако- вую для ламп накаливания. То что свет, испускаемый диода- ми, всегда окрашен, не означает, что светодиоды не могут стать источниками белого света. Составляя источник света из нескольких светодиодов, испускающих красный, зеленый и
Рис.8. Светодиод в разрезе (слева) и строение полупроводникового чипа, испускающего свет (справа): 1 – металлические контакты для подключения к источнику постоянного тока; 2 – прозрачный кожух светодиода; 3 – свет, испускаемый светодиодом; 4 – полупроводнико- вый чип, слои которого схематически показаны справа; 5 – параболи- ческий зеркальный отражатель, собирающий свет в параллельный пучок; 6 – слой, обладающий «дырочной», или p-проводимостью;
7 – активный слой, химический состав которого определяет парамет- ры испускаемого света; 8 – слой, обладающий «электронной», или n- проводимостью; 9 – электропроводящая подложка чипа. Электроны на схеме справа обозначены черными кружками, а «дырки» – белыми.
Электрическое напряжение, приложенное между n- и p-слоями по- лупроводникового чипа, приводит к движению электронов из n-слоя
(8) в активный слой (7). Одновременно туда же под действием приложенного напряжения движутся «дырки» из p-слоя (6). В актив- ном слое «дырки» и электроны встречаются и уничтожают друг с друга, и при этом часть энергии выделяется в виде света (пунктир- ные стрелки)

18
синий свет, можно получить любые оттенки белого, как угодно близко приближая его спектр к солнечному.
Светодиоды уже стали вытеснять лампы накаливания из автомобильных осветительных устройств. Так, более половины выпускаемых в Европе автомашин используют красные свето- диоды в качестве «высокого» стоп-сигнала, а также указателей поворота и габаритных огней. Увеличивается с каждым годом процент светофоров, работающих на светодиодах, при этом установка каждого нового светодиодного светофора позволяет в 5 раз снизить энергозатраты по сравнению со старыми свето- форами, где белый свет, получаемый от ламп накаливания,
проходя через фильтры, превращался в красный, желтый и зеленый.
В отличие от хрупких ламп накаливания и люминесцентных ламп, светодиоды очень прочны механически, а срок их эксплу- атации может достигать 100000 часов. Правда, есть и недостат- ки у светодиодных осветительных устройств – они стоят дороже да и светят не так ярко, как хотелось бы. Но оба эти недостатка можно объяснить «молодостью» светодиодных лампочек – ведь
Нобелевскую премию по физике одному из их «родителей»,
российскому физику Жоресу Ивановичу Алферову, дали толь- ко в 2000 году. Об интенсивности работ в области светодиодно- го освещения говорит тот факт, что за последние 10 лет светоот- дача диодных лампочек выросла в 10 раз, а это значит, что если научно-исследовательские работы будут продолжаться такими же темпами, то уже через несколько лет их светоотдача превы- сит даже показатели лучших флуоресцентных ламп.
Ну, а дальше дело за производством и рекламой, и, действуя сообща, они в конце концов убедят нас сделать выбор в пользу светодиодов, которым, как считает Ж.И.Алферов, принадлежит будущее.

19
ГЛАВА 2
ПОЧЕМУ ЛИСТЬЯ КАПУСТЫ И ЛОТОСА

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

перейти в каталог файлов
связь с админом