电灯是人类征服黑夜的一大发明。19世纪前,人们用油灯、蜡烛等来照明,这虽已冲破黑夜,但仍未能把人类从黑夜的限制中彻底解放出来。只有发电机的诞生,才使人类能用各各样的电灯使世界大放光明,把黑夜变为白昼,扩大了人类活动的范围,赢得更多时间为社会创造财富。
真正发明电灯使之大放光明的是美国发明家爱迪生.爱迪生在认真总结了前人制造电灯的失败经验后,制定发详细的试验计划,分别在两方面进行试验:一是分类试验1600多种不同耐热的材料;二是改进抽空设备,使灯泡有高真空度。他还对新型发电机和电路分路系统等进行了研究。
爱迪生将1600多种耐热发光材料逐一地试验下来,唯独白金丝性能量好,但白金价格贵得惊人,必须到更合适的材料来代替。1879年,几经实验,爱迪生最后决定用炭丝来作灯丝。他把一截棉丝撒满炭粉,弯成马蹄形,装到坩锅中加热,做成灯丝,放到灯泡中,再用抽气机抽去灯泡内空气,电灯亮了,竟能连续使用45个小时。就这样,世界上第一批炭丝的白炽灯问世了。1879年除夕,爱迪生电灯公司所在地洛帕克街灯火通明。1909年,美国柯进而奇发明了用钨丝代替炭丝,使电灯效率猛增。
充气灯泡,既可以避免钨丝氧化,又能够阻止它的蒸发,好处是很明显的。不过与真空灯泡相比,充气也带来了新的问题,即对流的气体会把更多的热量传递给玻壳,并通过玻壳散失到周围的空间,结果是增加了热的损失,降低了发光效率。这又是一个矛盾。要看
什么是矛盾的主要方面:如果钨丝的蒸发是主要的,热损失不是很多,那么通过充气抑制钨丝蒸发,很好
地提高发光效率,充气就是有利的;反过来,如果矛盾的主要方面是热损失,蒸发问题不大,那么充气后发光效率提高不多,热损失却增加不少,充气就弊多利少。一般来说,功率比较小的白炽灯,灯丝细长,热损失很大,充气虽然可以减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度,但是这部分发光效率提高的“收入”弥补不了充气后热损失增加的“支出”。对于这样的灯泡,充气就不一定有利。在我国,25瓦以上的白炽灯泡都充气。充气灯泡里充多少气合适,是有规律的。充气越多,玻壳里的气体密度越大,压力越高,抑制钨丝蒸发的效果就越明显。但充气太多会增加热的损失,玻壳必就必须做得十分结实以防爆裂。
一般灯泡的充气压力,都在一个大气压左右。除了讲究充气的数量,还要考虑充什么气。氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氙、氪等等都可以用来充进灯泡里。从道理上讲,充气的目的既然是用来抑制钨丝蒸发,那当然应该选择那些身材比较“魁梧”,体重比较重,也即分子量比较大的气体。比方说,氦是最轻的惰性气体,用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重,氖、氩又重于氮。同样的灯丝,同样的温度,在氮气中的蒸发率只有在真空中蒸发率的2%~5%。充填氩气的效果将更好,钨的蒸发率可降低到只有真空中蒸发率的1.3%~3%。第一只充氩灯泡是1920年问世的。
氩是空气中含量最多的惰性气体,也是大气成分中仅次于氮、氧的第三号“人物”,每100升空气中就含有934毫升氩,加上它不
让蜡烛代替所有灯是什么歌
易传热,所以常同氮气一起被用作灯泡充气。在一般的充气灯泡里,都充90%的氩气和10%的氮气,或者86%的氩气和14%的氮气。为什么不充氪、氙等一类分子量更大的惰性气体呢?用它们充气不是可以获得更好的效果吗?确实如此。氪、氙一类的惰性气体不仅分子量大,传热本领也差。把它们充进玻壳里,既对钨丝蒸发有更强的抑制作用,造成的热损失也小得多。这样的充气灯泡,工作温度可以提得更高,灯更明亮,发光效率比充氩、氮的灯泡高约30%,而灯泡的寿命并不缩短。问题是,氪、氙之类气体是大气中含量最少的稀有气体,只有氩的含量的万分之一和十万分之一,所以制取困难,身价高昂,十分难得,只有在特殊需要的情况下,比如在制做某些矿灯的时候才使用。为了提高白炽灯的发光效率,延长灯的使用寿命,人们还在灯丝的成分和结构上下功夫。
钨丝虽然能耐高温,但在高温下会变得很脆。发明家们于是请铼来帮忙,因为铼不仅熔点高,耐腐蚀,而且机械性能好,电阻率也比钨高得多。钨丝镀上铼以后,强度和电阻大大增加,寿命可以延长5倍。要使通电后的灯丝获得足够高的发光温度,细细的灯丝必须做得很长,可是长长的灯丝灯泡里又放不下,于是发明家们把它做成螺旋形。大家知道湿衣服晾开要比团在一起容易干得多,也就是水汽的蒸发要快得多。同样的道理,人们把灯丝做成螺旋形,一方面可以缩小所占空间,提高发光效率,另一方面又能降低钨的蒸发,延长使用期限,真是一举两得。1936年,人们还做成了双螺旋灯丝,这样效果就更好,充气白炽灯的工作温度提高到2500℃以
上,摄影用的白炽灯甚至达到了3000℃。通过充进惰性气体和改进灯丝结构,白炽灯的蒸发速度进一步
降低,发光效率进一步提高,它也变得更加成熟了。
玻壳里充进了惰性气体,装上了性质均匀的双螺旋灯丝,白炽灯的发光情况比以前好多了,特别是使用寿命长了许多。但是还不够理想。一方面,惰性气体的保护作用随着充填气体压力的增加而加强,为此要求玻壳的体积越小越好;另一方面,为了使蒸发的钨不致把玻壳很快变黑,又要求玻壳尽可能做得大一些。这就又是一个矛盾。再说,以上一系列的努力只不过是使钨丝的蒸发速度有所减慢。钨丝仍在蒸发着,而且逃脱不了这样的规律:温度越高,蒸发越快。钨粉落在玻壳内壁上,时间一长,玻壳变黑,钨丝白炽灯的寿命一般只有1000小时左右。原因在于惰性气体分子对于蒸发的钨原子只起狙击的作用。狙击不可能万无一失,漏网的钨原子会通过惰性气体分子之间的空隙,溜到玻壳壁上去,而一旦钨原子来到玻壳壁上,赖着不走,惰性气体分子对它们也就无能为力了。
怎么办呢?能不能到一种物质,它们既能抑制钨丝蒸发,又能在钨原子溜到玻壳壁以后,跑过去把“逃兵”抓住并送回到钨丝上去呢?很多人都在琢磨这个问题,设法为钨丝到一位“新朋友”。直到1959年,一位名叫弗里德里奇的美国人,才终于到几位能够担当这一任务的“搬运工”,它们就是卤族元素及其化合物。卤族元素简称卤素,包括氟、氯、溴、碘等几个成员。它们在一定的温度条件下,能够同钨化合,生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨,
统称卤化钨,而在更高的温度下,它们又会顺利地分解成钨和卤素,恢复本来的面目。这个特点具有根
本的意义。人们往玻壳里充进一点卤素,接通电源以后,灯丝发热放光,同时开始蒸发。蒸发出来的钨,大部分被惰性气体顶撞回去,还有一部分向玻壳壁运动,并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合,生成卤化钨气体。卤化钨气体反过来又向灯丝方向扩散,大约在距灯丝只有几毫米远的地方,又因高温而分解成钨和卤素,分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上的,卤素则返回玻壳内壁附近去参加下一次反应。热心的卤素这样来来回回地奔忙,像是一个勤奋的“搬运工”,把从钨丝上蒸发出来并溜到玻壳壁上的钨原子,一个个地重新搬回到钨丝身上去。它也像一位尽心尽职的“保姆”,总是不厌其烦地把走离了家的“孩子”送回家去。
钨和卤素的这种反应是循环重复地进行的,所以被叫做循环反应。钨和卤素在不断进行的循环反应中化合而又分解,消失而又再生,所以又叫再生循环反应。这样看来,卤素所做的工作确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨原子只是采取阻拦战术,阻拦不住只好听之任之,毫无办法。卤素实行的却是积极进取,主动争夺,要是漏网的钨原子跑到子玻壳壁上,它们会赶上去把“逃跑者”“揪回原籍”。既然卤素能把蒸发的钨原子仍旧送回到钨丝上,那么钨丝的工作寿命不就可以无限地延长了吗?实际情况并不这么简单。
卤族元素的4个成员,都能在钨丝灯泡里进行再生循环,它们之间的主要差别,只是发生循环反应所需的温度不同,与灯内其他