Материаловедческий анализ лампы накаливания

Семьдесят четыре электрона  атома вольфрама расположены  вокруг ядра таким образом, что шесть  из них находятся на внешних орбитах  и могут быть отделены сравнительно легко. Поэтому максимальная валентность  вольфрама равна шести. Однако строение этих внешних орбит особое – они  состоят как бы из двух «ярусов»: четыре электрона принадлежат предпоследнему уровню – d, который оказывается, таким образом, заполненным меньше чем наполовину. (Известно, что число электронов в заполненном уровне d равно десяти.) Эти четыре электрона (очевидно, неспаренные) способны легко образовывать химическую связь. Что же касается двух «самых наружных» электронов, то их оторвать совсем легко.

Именно особенностями  строения электронной оболочки объясняется  высокая химическая активность вольфрама. В соединениях он бывает не только шестивалентным, но и пяти-, четырех-, трех-, двух- и нульвалентным. (Неизвестны лишь соединения одновалентного вольфрама).

Активность вольфрама  проявляется в том, что он вступает в реакции с подавляющим большинством элементов, образуя множество простых  и сложных соединений. Даже в сплавах  вольфрам часто оказывается химически  связанным. А с кислородом и другими  окислителями он взаимодействует легче, чем большинство тяжелых металлов.

Реакция вольфрама с кислородом идет при нагревании, особенно легко  – в присутствии паров воды. Если вольфрам нагревать на воздухе, то при 400...500°C на поверхности металла  образуется устойчивый низший окисел WO₂; вся поверхность затягивается коричневой пленкой. При более высокой температуре сначала получается промежуточный окисел W₄O₁₁ синего цвета, а затем лимонно-желтая трехокись вольфрама WO₃, которая возгоняется при 923°C.

Сухой фтор соединяется с  тонкоизмельченным вольфрамом уже  при небольшом нагревании. При  этом образуется гексафторид WF₆ – вещество, которое плавится при 2,5°C и кипит при 19,5°C. Аналогичное соединение – WC1₆ – получается при реакции с хлором, но лишь при 600°C. Сине-стального цвета кристаллы WC1₆ плавятся при 275°C и кипят при 347°C. С бромом и иодом вольфрам образует малоустойчивые соединения: пента- и дибромид, тетра- и дииодид.

При высокой температуре  вольфрам соединяется с серой, селеном  и теллуром, с азотом и бором, с  углеродом к кремнием. Некоторые из этих соединений отличаются большой твердостью и другими замечательными свойствами.

Очень интересен карбонил W(CO)₆. Здесь вольфрам соединен с окисью углерода и, следовательно, обладает нулевой валентностью. Карбонил вольфрама неустойчив; его получают в специальных условиях. При 0° он выделяется из соответствующего раствора в виде бесцветных кристаллов, при 50°C возгоняется, а при 100°C полностью разлагается. Но именно это соединение позволяет получить тонкие и плотные покрытия из чистого вольфрама. Не только сам вольфрам, но и многие его соединения весьма активны. В частности, окись вольфрама WO₃ способна к полимеризации. В результате образуются так называемые изополисоединения и гетерополисоединения: молекулы последних могут содержать более 50 атомов.

Главные минералы: вольфрамит и шеелит.

Название: от немецкого "Wolf" (волк) и "Rahm" (сливки) — «волчья пена».

Применение: компонент жаропрочных сверхтвердых сталей (инструментальные, быстрорежущие) и сплавов (победит, стеллит и др.); чистый вольфрам используется в электротехнике (нити ламп накаливания) и радиоэлектронике (катоды и аноды электронных приборов).

Рис. 2. Нити накаливания из вольфрама.

 

 

 

 

 

                                  

 

 

                                      ТЕРМОПАРА

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары  МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение  термопары: Термопара — пара проводников  из различных материалов, соединенных  на одном конце и формирующих  часть устройства, использующеготермоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится  вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

 

ТЕРМОПАРНАЯ ПРОВОЛОКА. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Сплавы алюмель, хромель являются никелевыми термоэлектродными сплавами, копель - медно-никелевый термоэлетродный сплав, константан можно отнести к медно-никелевым сплавам с высоким удельным электрическим сопротивлением. Объединяют эти сплавы похожие физические свойства, которые определяют области их применения.  
 
Химический состав  
Алюмель - никелевый термоэлектродный сплав, который состоит из никеля (Ni) - 93-96%; алюминий (Al) - 1,8-2,5%; марганец (Mn) - 1,8-2,2%; кремний (Si) - 0,8-1,2%; кобальт (Co) - 0,5%. Из данного сплава изготовлясяет проволока для термопар.  
Копель - термоэлектродный медно-никелевый сплав, в химический состав которого входят никель (Ni) - 43-44%; железо (Fe) - 2-3%; остальное медь (Cu). Проволока копель применяется для изготовления электродов термопар.  
Хромель - никелевый термоэлектродный сплав, состоящий из следующих элементов: хром (Cr) - 8,7-10%; никель (Ni) - 89-91%; примеси кремний (Si), медь (Cu), марганец (Mn), кобальт (Co). Проволока из сплава хромель используется для изготовления термопар.  
Константан - медно-никелевый сплав с высоким электрическим сопротивлением, состоит из никеля (Ni) - 39-41%; марганца (Mn) - 1-2%; остальное медь (Cu). Хорошо поддаётся обработке - может быть получена константановая проволока. Используется при изготовлении электронагревательных элементов с рабочей температурой до 400-500 °C, термопар, реостатов, измерительных приборов низкого класса точности.  
 
Физические и механические свойства  
К наиболее значимым физическим свойствам сплавов алюмель, копель, хромель и константан относятся: плотность, средний коэффициент линейного расширения, удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент электрического сопротивления, температурный коэффициент линейного расширения, температура плавления, термоэлектродвижущая сила (термо эдс); механическим - модуль нормальной упругости, относительное удлиннение после разрыва, временное сопротивление при растяжении, относительное сужение после разрыва, условный предел текучести и твердость по Бринеллю. Материалы термопары (алюмель, хромель, копель, константан) должны иметь высокие и стабильные значения термо эдс в диапазоне рабочих температур.  
 
Перечислим основные свойства каждого из сплавов:  
Алюмель имеет удельное электрическое сопротивление 3,2·10^-8 Ом·м, температурный коэффициент линейного расширения 13,7·10^-6 °C^-1, плотность 8480 кг/м³, температуру плавления 1430-1450 °C. Из проволоки алюмель изготавливают термопары.  
Копель имеет плотность 8900 кг/м³, температуру плавления 1220-1290 °C, температурный коэффициент линейного расширения 14·10^-6 °C^-1, удельное электрическое сопротивление 0,5 мкОм·м. Копель в паре с медью, хромелем и железом имеет большую термо эдс при практически равном нулю температурном коэффициенте электрического сопротивления, коррозионностоек и жаростоек до 600 °С.  
Хромель обладает плотностью 8710 кг/м³, температура плавления 1400-1500 °C, температурный коэффициент линейного расширения 12,8·10^-6 °C^-1, удельное электрическое сопротивление 0,66 мкОм·м. Хромель отличается большой жаростойкостью.  
Константан имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5 мкОм·м), низкое значение термического коэффициента электрического сопротивления, температурный коэффициент линейного расширения 14,4·10^-6 °C^-1, плотность константана 8800-8900 кг/м³, температура плавления около 1260 °C. Также для константана характерна высокая термоэлектродвижущая сила в паре с медью, железом, хромелем. Данный медно-никелевый сплав имеет низкую термо эдс по отношению к меди.  
 
Области применения  
Сплавы алюмель, хромель, копель и константан получили широкое применение для изготовления термопар и компенсационных проводов.  
Термопара - два различных проводника, один конец которых спаен и помещен в место измерения температуры (горячий контакт), а свободные концы помещены в термостат (холодный контакт). Термопары служат датчиками для измерения температуры.  
Компенсационные провода - термопарная проволока, которая служит для передачи термо эдс от свободных концов термопары к измерительным устройствам. В качестве компенсационных проводов используется более дешевая термопарная проволока с не столь строго контролируемыми параметрами.  
Термоэлектродные сплавы на основе никеля, алюмель и хромель, производятся в виде проволоки. Алюмель используется в термопарах. Хромель Т и хромель ТМ нашли применение в термопарах, а хромель К и хромель КМ - в качестве компенсационных проводов. Основной заготовкой из медно-никелевого сплавакопель является проволока, а из сплава константан - проволока, полоса, лента. Копель используют в качестве одного из материалов термопары и компенсационных проводов, а константан - в электротехнических целях (для изготовления нормальных эталонов сопротивления) и для компенсационных проводов. 
 
Существует несколько видов термопар, которые служат для измерения температур из различных интервалов:

ТХА хромель-алюмель (К) - диапазон измеряемых температур -200 ÷ 1000 °C;

ТХК хромель-копель (L) - диапазон измеряемых температур -200 ÷ 800 °C;

ТХК хромель-константан (Е) - диапазон измеряемых температур -40 ÷ 900 °C;

железо-константан - имеет практически линейную характеристику и высокую термо эдс, служит для измерения низких температур: до -190 °C;

медь-константан - диапазон измеряемых температур -250 ÷ 300 °C;

железо-копель - диапазон измеряемых температур 0 ÷ 760 °C;

вольфрам-рений - для измерения высоких температур в инертной среде до 3000 °C;

медь-копель.

2.3 Электротехнические параметры

Лампы изготавливают для  различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40—50 микрон.

Так как при включении  нить накала находится при комнатной  температуре, её сопротивление на порядок  меньше рабочего сопротивления. Поэтому  при включении протекает очень  большой ток (в десять — четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока. При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно  с нитью накала встраивается биметаллический  переключатель. За счёт этого такие  лампы самостоятельно работают в  мерцающем режиме.

2.5. Цоколь

Форма цоколя с резьбой  обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40 (цифра обозначает наружный диаметр в мм). Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например, байонетным) — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено  иным напряжением в сетях - 120 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul). Также, аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.

Казавшаяся на первый взгляд такой  простой лампа состоит из:

вольфрама,

 молибдена, 

меди,

железа (цоколь),

 олова (покрытие контактной  площадки),

стекла, термомастики, платинита,

керамики (изолятр в цоколе). 

 

 

                                             

                                           МОЛИБДЕН

МОЛИБДЕН – (Molybdenum), Mo – химический элемент 6 (VIb) группы периодической системы, атомный номер 42, атомная масса 95,94. Известен 31 изотоп молибдена с 83Мо по 113Мо. Из них стабильные: 92Мо,94Мо – 98Мо. Шесть этих изотопов и 100Мо (Т½ = 1,00·1019 лет) встречаются в природе: 92Мо(14,84%), 94Мо(9,25%), 95Мо(15,92%), 96Мо(16,68%),97Мо(9,55%), 98Мо(24,13%), 100Мо(9,63%). Самые нестабильные изотопы элемента № 42 имеют периоды полураспада менее 150 нс. Наиболее устойчивая степень окисления +6. Молибден относится к редким элементам, его кларк в земной коре равен 1,1·10–4% по массе. Кроме того, оценено общее содержание его во Вселенной (5·10–7% по массе или 10–8% от общего количества атомов), на Солнце (9·10–7%(масс.) или 10–8%(ат.)), углеродистых метеоритах (1,2·10–4(масс.) или 2,5·10–5%(ат.)), морской воде (10–6%(масс.) или 6,4·10–8%(ат.)), речной воде (8·10–8%(масс.) или 8·10–10%(ат.)). В природе этот металл встречается только в виде соединений, известно около двух десятков его минералов, среди которых наиболее важны молибденит (MoS2), повелит (CaMoO4), молибдо-шеелит (Ca(Mo,W)O4), молибдит (xFe2O3·yMoO3·zH2O) и вульфенит (PbMoO4). Промышленное значение имеет только молибденит.

 

                                                             МЕДЬ

МЕДЬ (лат. Cuprum-от назв. о. Кипр, где в древности добывали медную руду) Сu, хим. элемент I гр. периодич. системы, ат. н. 29, ат. м. 63,546. Прир. медь состоит из смеси двух стабильных изотопов ⁶³Сu (69,09%) и ⁶⁵Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для прир. смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu0 Сu+ Сu2 +  Сu3+ соотв. равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; сродство к электрону 1,8 эВ;электроотрицательность по Полингу 1,9; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координац. числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ.

Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской водесодержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиол. процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека ок. 0,001 мг/л.

В земной коре медь встречается в осн. в виде соед. с S (св. 90% мировых запасов и добычи меди) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисл. минералов меди (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь. Медные руды по минера-логич. составу м. б. подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Си в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, по-лиметаллич.), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллич., помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Осн. мировые запасы меди (кроме СССР) сосредоточены в Сев. Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Юж. Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд (без СССР) составляют 847,6 млн. т, в т. ч. доказанные 447,4 млн. т.

Свойства. Медь-пластичный, розовато-красный металл с характерным металлич. блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллич. решетка гранецентрированная кубич., а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт. Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотн. 8,92 г/см3, жидкой при 1100 0С-8,36 г/см3, при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотн. 8,9331 г/см3; C0р24,44 ДжДмоль • К), ур-ние температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р = 4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)ДжДмоль.К); DH0пл13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/молъ, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 ДжДмоль.К); ур-ние температурной зависимостидавления пара над жидкой медью: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т (1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медью не превышает 133,32 Па. Температурный коэф. линейного расширения 1,7.10-5 К-1 (273-323 К), ур-ние температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + + 3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%. Наиб. важные и широко используемые св-ва меди-ее высокая теплопроводность и малое электрич. сопротивление:

Температурный коэф. r 4,3-10~³ К^-1 (273-373 К). Медь диамагнитна, уд. магн. восприимчивость -0,66^.10^-6. Для жидкой меди у (в мН/м): 1120 (1413 К), 1160 (1473 К), 1226 (1573 К); h (в мПа^.с): 4,0 (1356,9 К), 8,6 (1373 К), 3,41 (1418 К).

Медь-мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; s_раст 220 МПа; относит. удлинение 60%, относит. уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэф. Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом предел прочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрич. проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5^.10¹⁹ n/см²) предел текучести меди возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву-в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость меди, S, О₂ - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрич. проводимость меди.

Медь растворяет Н₂, к-рый существенно ухудшает ее мех. св-ва ("водородная болезнь"). 

                                               ОЛОВО

Известно и использовалось людьми еще в глубокой древности

Электронная формула KLM4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p², E_ион(Ме=>Ме⁺+e)=7,30эB, электроотрицательность ЭО=1,7

Степень окисления: -4, +2, +4; валентность: 2, 4

Физические свойства:  Существуют   аллотропные модификации, из которых при комнатной температуре устойчиво обычное металлическое белое олово. Белое олово - мягкий металл, t_пл=231,8^оС, t_кип=2620^оС, плотность равна 7,30 г/см³.