Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
26
Cái gì đã được sử dụng với bóng đèn?
Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. N. PEGOEV
Tất nhiên, việc bóng đèn cháy là chuyện nhỏ. Làm ơn, ngay cả từ “sự kiện” cũng có vẻ không phù hợp ở đây. Tuy nhiên, cuộc trò chuyện về lý do tại sao và làm thế nào dây tóc trong đèn sợi đốt bị phá hủy rất đáng được quan tâm.
Ngành công nghiệp của chúng ta sản xuất hàng tỷ chiếc đèn mỗi năm. Sau khi phục vụ vài trăm hoặc hàng nghìn giờ, chúng đều cháy hết, gây khó chịu nhẹ cho một số người, còn số khác lại ngạc nhiên và tò mò. Đôi khi cảnh tượng một bóng đèn cháy cũng khiến ngay cả một thợ điện giàu kinh nghiệm cũng bối rối.
Nhưng trước khi nói về hiện tượng cháy đèn, hãy nói đôi lời về cấu trúc của chúng. Bộ phận chính của đèn (Hình 1) là thân đèn sợi đốt. Thông thường nó là dây tóc vonfram có dạng xoắn hoặc xoắn kép. Các đầu của sợi được kết nối với các đầu của đầu vào. Phần giữa của đầu vào được cố định trong một tấm kính. Sợi chỉ được hỗ trợ bởi các đầu vào và giá đỡ dây, phần sau được tạo thành một thanh thủy tinh. Thiết kế này sẽ được đặt trong bình thủy tinh. Một cycol được dán vào bình, tại điểm tiếp xúc của các đầu bên ngoài của đầu vào được hàn. Đường kính của chúng nhỏ hơn một chút so với đường kính của phần bên trong ống lót. Bên trong cycol có một vòi - đầu bịt kín của ống thủy tinh để không khí thoát ra khỏi bình. Ở một số loại đèn, bóng đèn được dẫn hướng bằng khí trơ (argon, crypt), đôi khi có thêm halothenes.
Dây tóc là thành phần không đáng tin cậy nhất của đèn. Dòng điện chạy qua dây tóc làm nóng nó lên tới gần 3000 K. Việc tăng điện áp lên 15% điện áp định mức sẽ dẫn đến dây tóc bị phá hủy nhanh chóng. Hơn nữa, việc tăng điện áp lên 1% sẽ làm giảm tuổi thọ sử dụng của nó xuống 15%, mặc dù nó làm tăng hiệu suất ánh sáng thêm 4%.
Như đã đề cập, việc nhìn thấy một bóng đèn cháy tắt có thể gây ngạc nhiên và đôi khi nó cũng có thể là thử thách. Chúng ta hãy xác định một số loại phá hủy đèn dựa trên các dấu hiệu bên ngoài, đặt câu hỏi tương ứng và sau đó trả lời chúng.
Tuổi thọ của hầu hết các loại đèn kết thúc sau khi đốt cháy kéo dài. Vào giây phút cuối cùng, ánh sáng nhấp nháy, màu sắc của nó có thể thay đổi, đôi khi nghe thấy tiếng vo ve lặng lẽ và sợi chỉ bị đứt.
Câu 1: Tại sao sau một màn hình dài lại có một đoạn thread, trong khi phần còn lại của thread vẫn chạy thread, thường ở gần đầu vào.
Trong cuộc sống hàng ngày, có tới 1/4 số đèn sẽ tắt ngay khi bật lên. Ngay sau khi đóng mạch, đèn nhấp nháy sáng rồi tắt. Thông thường, một số phần của luồng bị phá hủy, thường là ở gần đầu vào.
Câu hỏi 2: tại sao xác suất cháy dây tóc lại quay trở lại vào thời điểm bật máy, khi nhiệt độ dây tóc chưa đạt giá trị vận hành?
Đôi khi dây tóc bị cháy khi bật và kèm theo đèn flash trong chu trình. Trong trường hợp này, một trong những đầu vào của bộ phận bị hư hỏng sẽ cháy và kim loại bay hơi đọng lại trên kính của bình. Bình có thể bị ngắt khỏi chu trình và bị treo.
Hình 1. Mặt cắt của đèn sợi đốt.
27
trên đầu vào bị nứt. (Trong trường hợp này, bạn có thể tháo chu trình ra khỏi mâm cặp bằng cách nắm lấy cạnh của chu trình bằng các đầu của dao cắt bên có tay cầm cách điện.) Một bức tranh như vậy không thể làm ngạc nhiên khái niệm này. Thứ nhất, mạch điện tử bị sập ở hai nơi - luồng và đầu vào. Thứ hai, đầu vào đã cháy hết, dòng điện nóng chảy của nó cao hơn đáng kể so với dây tóc (điều này có thể thấy ít nhất từ thực tế là ở chế độ vận hành, cùng một dòng điện làm nóng dây tóc và hầu như không làm nóng đầu vào). Nghịch lý ở đây cũng giống như việc chúng ta kéo một sợi dây yếu và làm đứt nó, nhưng đồng thời sợi dây chắc chắn mà sợi dây buộc vào cũng bị đứt (Hình 2).
Câu 3: Dòng điện chạy qua mạch nào làm hỏng đầu vào?
Trong một số trường hợp (điều này chủ yếu áp dụng cho các loại đèn có công suất lớn), khi bật đèn, một phần đáng kể của dây tóc sẽ duỗi thẳng ra. Những giọt vonfram làm tan chảy bóng đèn (và đôi khi cả bóng thủy tinh), thủy tinh nứt ra và rơi xuống kèm theo tiếng sét. Những giọt vonfram đông lạnh, dấu vết cháy đen của chúng và những mảnh sợi không tan chảy có thể được tìm thấy trên các đồ vật đặt dưới đèn.
Câu hỏi 4: Tại sao khi đèn tắt, dòng điện tăng nhiều đến mức một phần đáng kể dây tóc có thể duỗi thẳng ra?
Những người quan tâm có thể cố gắng tự trả lời những câu hỏi này và chỉ sau đó mới đọc đáp số bên dưới.
Đáp số cho câu hỏi 1. Điều tự nhiên là tìm nguyên nhân khiến một phần nhỏ của sợi chỉ bị đứt trong thực tế là sợi chỉ không thể đồng nhất tuyệt đối. Hãy tưởng tượng sợi dây là một chuỗi kết nối của các phần nhỏ, được hiển thị trong sơ đồ dưới dạng các điện trở có điện trở mỗi phần (Hình 3).
Điện trở của một đoạn sợi được xác định bởi chiều dài , đường kính và điện trở suất của vật liệu . Chúng ta hãy chọn độ dài của các phần bằng nhau và giả sử rằng điện trở suất của tất cả các phần là như nhau, khi đó sự khác biệt về điện trở sẽ chỉ liên quan đến sự khác biệt về đường kính của các phần. Đường đi dọc theo sợi chỉ là dòng điện , được xác định bởi hướng tác dụng lên sợi chỉ và điện trở của sợi chỉ (tức là tổng điện trở của tất cả các phần): . Nguồn điện được phân bổ tại mỗi địa điểm. Theo chế độ hiện tại, năng lượng này được sử dụng cho ánh sáng và bức xạ nhiệt, cũng như loại bỏ nhiệt qua các khu vực lân cận và đầu vào cũng như qua khí trong bình.
29
Nhiệt độ dây tóc là gần 3000 K, ngay sau khi bật, điện trở của dây tóc thấp hơn khoảng 10 lần so với ở trạng thái nóng. Do đó, tại thời điểm ban đầu, dòng điện chạy qua ren vượt quá giá trị định mức gần 10 lần (Hình 4). Sau đó, khi dây tóc nóng lên, dòng điện giảm.
Bản thân giá trị dòng điện tăng lên không phá hủy dây tóc mà tạo ra các điều kiện tiên quyết cho hiện tượng quá nhiệt tạm thời của các phần riêng lẻ của nó. Thật vậy, một phần yếu của sợi có đường kính giảm, như chúng ta đã phát hiện ra, có lực cản tăng lên và lực được giải phóng trên nó tăng lên. Ở chế độ không ổn định, ngoài việc tỏa nhiệt và bức xạ, năng lượng còn được sử dụng để làm nóng dây tóc. Vì nhiệt của phần yếu giảm so với các phần khác, đồng thời công suất tăng lên nên phần này nóng lên nhanh hơn các phần khác. Điều này, đến lượt nó, dẫn đến sự gia tăng điện trở của phần yếu và tăng thêm tốc độ gia nhiệt. Kết quả là nhiệt độ của nó đạt đến mức vận hành trước khi toàn bộ sợi nóng lên. Tại thời điểm này, dòng điện vẫn vượt quá giá trị định mức nên phần yếu sẽ quá nóng trong một thời gian (xem Hình 4). Điều này có thể đủ để vonfram bay hơi khỏi bề mặt ren và sợi ở nơi này giảm đường kính. Với mỗi lần bật tiếp theo, sự suy yếu của luồng sẽ tiến triển cho đến cuối cùng, ở lần bật tiếp theo, hiện tượng quá nhiệt dẫn đến phá hủy vùng yếu.
Như vậy, sự phụ thuộc của điện trở ren vào nhiệt độ dẫn đến hiện tượng quá nhiệt và phá hủy phần yếu của ren tại thời điểm bật nguồn, khi phần chính của ren chưa nóng lên.
Ví dụ, đèn trong rạp hát, có thể phát sáng êm ái, không bị đe dọa bởi sự phá hủy như vậy. Và đèn nhấp nháy, bật một phần phải có dây tóc đặc biệt đồng đều hoặc hoạt động khi quá nhiệt. Điều tương tự cũng áp dụng, ví dụ, đối với đèn tín hiệu giao thông.
Hình 5. Các giai đoạn liên tiếp của việc phá hủy và chèn chỉ.
Đáp số cho câu hỏi 3. Chúng ta đã tìm ra nguyên nhân dây tóc cháy khi bật đèn. Tại sao đầu vào có thể bị phá hủy? Rõ ràng là dòng điện phá hủy đầu vào không chạy qua dây tóc, vì phần chính của dây tóc (có dòng điện nóng chảy tương đối nhỏ) đã được bảo toàn. Cũng rõ ràng rằng dòng điện này chạy bên trong đèn, vì sự phá hủy đầu vào là sự ràng buộc của dây tóc.
Hóa ra nguyên nhân của mọi chuyện là do sự phóng điện hồ quang giữa các đầu vào bên trong bóng đèn. Khi một phần yếu của dây tóc bị phá hủy, một đám mây hơi vonfram bị ion hóa một phần sẽ xuất hiện trong bình. Đôi khi sự cố xảy ra qua đám mây này và hồ quang điện sáng lên giữa các đầu vào. Dòng điện hồ quang phá hủy ống lót ở phần bị suy yếu, hư hỏng (Hình 5). Dấu vết của hồ quang vẫn còn ở dạng lớp phủ màu xanh lam trên các đầu vào bên trong bóng đèn.
Điều thú vị là chi tiết thiết kế đèn không dễ thấy như sự khác biệt về đường kính của đầu vào của bóng đèn bên trong và bên ngoài lại rất quan trọng. Nếu đường kính của phần đầu vào bị hỏng bằng hoặc lớn hơn đường kính của phần bên trong thì đèn đầu vào có thể bốc hơi. Và điều này dẫn đến sự bùng nổ của bình.
Đáp số cho câu hỏi 4. Đôi khi, sau khi phá hủy một phần yếu của luồng, sự cố sẽ không xảy ra giữa hai đầu vào mà giữa một trong các đầu vào và phần còn lại của luồng. Điều này dẫn đến sự nóng chảy của một phần lớn dây tóc và có khả năng gây nổ bóng đèn (Hình 6). Có thể được không
30
Hình 6. Các giai đoạn liên tiếp của việc tuốt một đoạn chỉ lớn.
khuyên không nên đứng dưới đèn khi đèn đang bật.
Chúng ta hãy xem xét hai trường hợp cháy đèn bất thường và thú vị hơn.
Có một lần, lúc vừa tắt đèn, bóng đèn bị vỡ. Hóa ra trong quá trình đốt cháy kéo dài, sợi dây dần dần bị chùng xuống dưới tác dụng của trọng lực và tiến gần đến đáy.
Bây giờ chúng ta hãy nói về trường hợp hai mươi ngọn đèn mắc nối tiếp bị chết đồng thời. Vào thời điểm chưa có vòng hoa cây thông Noel theo lịch trình của Ông già Noel, một chuỗi gồm 20 chiếc đèn tự động công suất thấp, mỗi chiếc có điện áp 12 V, đã được biên soạn. Khi bật với điện áp 220 V, các đèn nhấp nháy và cháy hết (tất cả là hai mươi!), và một đoạn dây tóc ngắn bốc hơi trong mỗi đèn. Điều này thật đáng kinh ngạc như thể, khi kéo căng một sợi dây dệt từ hai mươi mảnh, nó sẽ đứt thành hai mươi chỗ - ngay ngắn giữa các nút thắt (Hình 7, a).
Tại sao tất cả các đèn đều cháy cùng một lúc? Lý do cho điều này là như sau. Việc phá hủy một phần dây tóc yếu ở một trong các đèn dẫn đến đánh lửa hồ quang điện giữa các đầu vào (Hình 7, b). Điện trở của khe hở nhỏ hơn đáng kể so với điện trở của dây tóc ở chế độ hoạt động, do đó điện áp trên các đèn còn lại đã tăng lên. Điều này làm tăng tốc độ chết của đèn tiếp theo: đánh lửa hồ quang trong đó (Hình 7, c). Điện áp trên các đèn tăng cao hơn nữa, và dùi cui hủy diệt được truyền từ đèn này sang đèn khác cho đến khi không còn điểm yếu nào trong mạch điện. Vì vậy, sự cháy của một ngọn đèn yếu đã gây ra sự phá hủy những ngọn đèn khác. Tất nhiên, những trường hợp như vậy rất hiếm, nhưng hoàn toàn có thể xảy ra.
Hình 7. Dây không thể bị đứt ở nhiều nơi cùng một lúc và các đèn mắc nối tiếp có thể bị cháy cùng một lúc.