V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
"Перегорают" лампочки. Почему?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В каждом доме «включают свет», когда темно, но иногда «свет не загорается». Конечно, включаем мы не свет, а лампочки, и именно они иногда перегорают и даже взрываются. Как - то раз я попал водой на лампочку в бане, она разбилась и перестала работать. В другой раз я услышал «лампочка сгорела» и попросил мне показать «горящую» лампочку, а увидел обычную лампочку с белым налётом, и она тоже больше не работала.
Мне стало интересно, почему лампочки перестают работать, что может быть причиной? Это и побудило к созданию данной работы.
Цель исследования: исследование причин «перегорания» лампочек
Задачи:
1) изучить литературу по теме работы;
2) узнать историю изобретения лампочки;
3) рассмотреть и изучить устройство (строение) лампочки;
4) провести опыты и эксперименты;
5) сделать выводы.
В ходе работы были выдвинуты гипотезы (предполагаемые нами причины, по которым лампочка перестаёт работать):
- Возможно, что от детских шалостей (попадание воды, игрушек).
- Предположим, что лампочка перегревается.
- Допустим, что в лампочке что-то ломается.Что, если это происходит от долгого использования (от «старости»).
Методы исследования:
1.Анализ литературы
2. Опыт, эксперимент
3. Наблюдение
4. Сравнение полученных результатов с описанием в литературе
Объект исследования: лампы накаливания
Предмет исследования: причины перегорания ламп накаливания
Основная часть
Работу мы начали с изучения литературы. Вот что интересного я знал.
По следам пещерной лампы
Обследуя одну древнюю пещеру, археологи нашли предмет, назначение которого сразу не разгадали. Он был похож на небольшую плоскую чашку из красного песчаника. На дне чашки был какой-то чёрный налёт. Оказалось, это сажа. Химики утверждали, что это – нагар от сожжённого сала. «В таком случае, - сделали вывод археологи,- перед нами лампа, освещавшая пещеру».
В этой лампе не было ни фитиля, ни стекла, и она сильно чадила. Такие примитивные лампы прослужили человечеству очень долго. Они менялись внешне, становились удобнее и красивее по форме. Например, в домах раскопанного археологами города Помпеи среди всякой утвари нашли и лампы, сделанные из глины, а украшенные бронзой. Внешне лампа была похожа на маленький чайник для заварки. Из носика выглядывал фитиль, а сбоку была ручка, за которую держали, если нужно было перенести лампу. Горела она на растительном масле. Фитиль понемногу сгорал, и его время от времени вытаскивали из носика. Коптила она ничуть не меньше первобытной.
Люди долго не понимали, отчего коптят лампы, поэтому и не могли придумать способ, как от этого избавиться. Первым, кто понял природу горения, был итальянский художник, учёный и инженер Леонардо да Винчи. Он понял, что копоть бывает от недостатка воздуха при горении. Леонардо смастерил лампу с тягой, как в печке, то есть приделала к лампе трубу. Стало намного лучше, но потребовалось ещё немало лет, чтобы труба превратилась в стеклянный колпак. Это придумал французский аптекарь Кенке. Такие лампы в старину в России называли «кенкетами». После швейцарец Э. Аргон надел такую стеклянную колбу на горелку. И всё - таки такая лампа давала света не больше , чем свеча, потому что масло всасывалось фитилём плохо, и пламя было маленькое.
Над непослушным маслом, нехотя идущим к горелке, бились многие изобретатели, предлагая самые разные способы для её решения. Но самым популярным стал такой вариант: в посудину с маслом помещался металлический кружок и пружина. Пружина давит на кружок, а кружок на масло, и оно по трубке быстро поднимается в горелку. Такой лампой пользовались вплоть до появления керосиновой лампы.[5]
Керосиновая лампа
Керосиновая лампа устроена так, что воздух подходит к пламени и снаружи, и изнутри. Снаружи воздух проникает через коронку со щелями, изнутри - через отверстие в металлической трубке, в которую вставляется фитиль.
Теперь же всё просто: нажал на выключатель – и загорелась электрическая лампочка, а то и сразу несколько, и в комнате стало светло, уютно. Чтоб сделать нашу жизнь такой удобной, такой ярко освещённой, потребовались десятилетия мучительных поисков, исследований, труда, разочарований.[5]
1.3. Лампа накаливания
История лампы накаливания очень запутана и ее появлению
предшествовали изобретения многих учёных-изобретателей.
Первую электрическую лампу создал русский физик Василий Владимирович Петров. Он взял две угольные палочки, по которым пустил ток. Концы их раскалились добела, и между ними появилась огненная дуга. Но концы палочек быстро сгорали в пламени дуги, расстояние между ними увеличивалось, и дуга гасла.
Нужно было найти способ надолго удержать пламя, чтобы создать долго работающий электрический светильник. Первым с этой задачей справился русский электротехник Яблочков Павел Николаевич. И каким же простым оказалось решение! Угольные палочки или стержни располагались в лампе Петрова напротив друг друга. Яблочков расположил их рядом, разделив прослойкой вещества, которое не проводит ток. Он использовал глину и гипс. (Приложение 1)
В 1876 году Яблочков получает патент на свою лампу. Электрическую «свечу» изобретатель поместил в стеклянный шар, а для зажигания придумал простое устройство: стержни сверху соединялись тонкой угольной нитью. Когда в лампу пускали ток, нить раскалялась, быстро сгорала, и между стержнями вспыхивала дуга.
В эти же годы над изобретением своей лампочки работал и другой русский учёный - Александр Николаевич Лодыгин. Начав опыт с электрической дугой, он заметил, что свет раскалённых угольных стержней, между которыми образуется дуга, гораздо ярче, чем свет пламени. Но если так, то зачем нужна дуга? Не лучше ли просто накалять уголь без всякой дуги? Лодыгин попробовал заменить толстые угольные стержни на тонкие. Но такие стерженьки быстро сгорали, и лампочка погасла. Изобретатель понял, что быстро стержни сгорают из-за присутствия воздуха. Значит, чтобы лампочка работала долго из неё сначала нужно убрать воздух. В 1875 году электрические лампочки Лодыгина загорелись в Петербурге в магазине Флорана на Морской улице. Первый в мире магазин с электрическим освещением! Но учёный не остановился на этом. Угольная нить давала желтоватый свет и расходовала много тока. В ходе исследований Лодыгин нашёл идеальную замену угольной нити – нить вольфрамовую. Она даёт яркий белый свет, требует намного меньше тока и может служить очень долго. (Приложение 1)
Параллельно с Лодыгиным работу в этом же направлении вел и известный американский изобретатель Томас Эдисон. В своей лампе он использовал платиновую нить накаливания, а в 1879 году запатентовал свое изобретение. Однако такое изделие стоило очень дорого, поэтому не получило широкого распространения. Вернувшись к работе с угольным стержнем, Томас через год создает лампу, работающую в течение сорока часов. Именно Эдисон придумал цоколь и патрон, а спустя некоторое время наладил производство лампочек по цене два с половиной доллара за штуку. (Приложение 1)
В 1906 году компания «General Electric» покупает у Лодыгина патент на его лампочку с вольфрамовой нитью. Спустя три года сотрудник компании Ирвинг Ленгмюр добился увеличения времени работы вольфрамовой нити путём наполнения лампы аргоном. Чуть позже американский физик Уильям Дэвид Кулидж смог усовершенствовать метод изготовления вольфрамовой нити. Все эти изобретения в комплексе позволили лампе с вольфрамовой нитью накаливания постепенно завоевать весь рынок и вытеснить конкурентов. [6, 8, 9]
1.4.Строение современной лампочки накаливания
Современная лампа накаливания, несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле воплощает в себе множество изобретений и открытий. Для изготовления спирали накаливания в настоящее время кроме дорогостоящего вольфрама используют осмий или их соединение. Колба перестала быть просто вакуумной – очень часто ее стали заполнять специальным газом. Устройство обыкновенной лампы накаливания показано на рисунке:
1 — стеклянная колба;
2 — наполненная инертным газом полость колбы;
3 — спираль накаливания;
4, 5 — электроды;
6 — дополнительные опоры спирали;
7 — стеклянная ножка;
8 — внешний токопровод;
9 — цоколь;
10 — изолятор цоколя;
11 — нижний контакт цоколя. [8]
2. Экспериментальная часть
Так как я собираюсь работать с лампочками и электричеством, нужно соблюдать определённые правила.
2.1. Правила безопасности:
- Размещать приборы и материалы на рабочей поверхности так, чтоб исключить их опрокидывание или падение.
- Сборку и разборку, внесение изменений в электрическую цепь можно проводить только при отключенном источнике питания. Источник питания подключается в последнюю очередь.
- Не работать мокрыми руками.
- Так как мы собираемся работать с лампочками, нужно защитить глаза специальными очками.
- Повреждённую лампочку выкручиваем/собираем только в специальных перчатках (тканевых и прорезиненных )
- Опасным для человека считается напряжение в 24 В ( в моих цепях не больше 6 В) [1] [4]
2.2. Подготовка материалов для проведения экспериментов
С помощью электронного конструктора «Знаток» собираю электрическую цепь, в которую будут входить, 4 провода в 2 клемма, один провод в 3 клемма, патрон от лампочки, выключатель вклвыкл, источник питания (аккумуляторные батарейки). Также подготовим несколько лампочек накаливания. Для увеличения яркости лампочек буду использовать дополнительный аккумулятор. Для проверки гипотезы № 3 мне понадобились: патрон для лампочки, выключатель, вилка и алмазный надфиль.
2.3. Проведение экспериментов
Эксперимент № 1. Сотрясение (проверка гипотезы № 1 «Детские шалости»)
Ход работы: Возьму лампочку (предварительно убедимся, что она рабочая) и аккуратно роняю на мягкую поверхность (ковёр) несколько раз. После каждого броска вставляю лампочку в цепь, после 64 раза обнаружил, что витая нить накаливания повреждена, при включении в цепь лампа не загорелась.
Вывод: гипотеза подтверждена: при сотрясении лампочки повреждено крепление вольфрамовой нити, а значит, цепь не замкнута и электричеству некуда «бежать».
Эксперимент № 2. Попадание воды на лампочку.
Проводить этот опыт самому мне не разрешили, так как это может быть очень опасно, если вода попадёт не только на саму лампочку, но и на электрическую сеть. И мы с мамой решили проверить, что происходит с нагретым стеклом, если на него попадает вода.
Ход работы: В духовку поставили обычную полулитровую банку и оставили греться при 180 градусах 15 минут. Достали, и я тут же выстрелил по ней из водного пистолета. Раздался треск и шипение. Я увидел, что по банке в разных местах появились трещины.
Вывод: гипотеза подтверждена: когда на горящую, а значит и очень горячую лампочку попадает вода, происходит перепад температур в месте прикосновения, что приводит к образованию трещин. А значит, воздух врывается в лампочку, и нить накаливания быстро разрушается.
Эксперимент № 3. Перегрев лампочки.
Рассмотрев строение лампочки, я узнал, что лампочка светит, потому что вольфрамовая спираль раскаляется и даёт свет. А раскаляется она благодаря электричеству, оно мчится по проводам, которые не создают ему помех (медные или алюминиевые), как по многополосной дороге машины. Но вот оно добежало до спиральки внутри лампочки, которая плохо пропускает электричество, и все наши «машины», не теряя скорости, уже мчатся по узкой одной полосе дороги. Поэтому наша спираль и раскаляется. А что, если «машин» станет так много, что они не влезут на эту «узкую дорогу»?
Ход работы: в собранную ранее цепь добавляю дополнительный аккумулятор. Замыкаю цепь. Лампочка ярко вспыхнула и погасла.
Сердцем всех ламп накаливания является вольфрамовая спираль. Ей предстоит работать при температуре почти 3000 градусов.
При такой высокой температуре начинаются процессы, которые, в конечном счете, “губят” лампу. Частицы металла будто осыпаются, проволока становится тоньше, и появляется небольшой перепад толщины проволоки. Процесс довольно длительный и, при нормальном напряжении, лампа вполне может отслужить 1000 часов. Замедлить испарение можно наполнением колбы газом.
Я прочитал, что сопротивление вольфрама в холодном состоянии заметно (в 9-12 раз) меньше, чем при рабочей температуре в 3000 градусов. А теперь можно проследить последовательность явлений рокового для лампы включения. После нажатия выключателя через холодную спираль проходит электричество, на порядок превышающее рабочее. В месте, где проволока стала тоньше за счет «осыпания», возникают сильные нагрузки, и спираль ломается. Дальнейшее понять просто: в месте трещины вольфрам разогревается до плавления и лампа “гибнет”.[7] [3]
Вывод: гипотеза верна, при резком увеличении электричества спираль в лампочках перегревается и приходит в неисправное состояние.
Эксперимент № 4. Попадание воздуха в лампочку
А что, если в лампочке что- то ломается и попадает воздух?
Ход работы: специальным напильником делаем маленькое отверстие в стеклянной колбе лампочки. Нить при этом осталась цела, но при включении в электрическую сеть лампочка зажглась, потускнела, напоследок ярко вспыхнула и перестала гореть, через отверстие пошёл дымок, а на стеклянной колбе я увидел молочный налёт. Рассмотрев поближе, я заметил, что нить накаливания упала с одной из опор. Оказывается у металлов (а значит и у вольфрамовой нити) есть свойство - на воздухе разрушаться. А когда металл нагревают, раскаляют, он разрушается ещё быстрее. Конечно, если раскалить докрасна стальную балку, с ней ничего не случится. А если это тонюсенькая, с волосок, металлическая спиралька лампочки? Да она через секунду рассыплется! Потому в лампочке пустота – безвоздушное пространство. Но если лампочку уронить или случайно ударить чем - нибудь, стеклянная колба бьётся, воздух ворвётся в пустоту лампочки, и спиралька-нить накаливания мигом разрушится, «сгорит».[2]
Вывод: гипотеза верна, при попадании воздуха внутрь стеклянной колбы спираль накаливания разрушается.
Эксперимент № 5. Лампочки портятся от долгого использования
Ход работы: подключаем лампочку к аккумуляторным батарейкам и оставляем на максимально долгое время. На момент написания работы лампочка так и не перегорела.
Вывод: гипотеза не была подтверждена, но и не была опровергнута. Я знаю, что при правильном использовании рабочее время современной лампы накаливания не более 1000 часов. Но в США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния) работает самая старая лампочка в мире. Это 4-ваттная лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа». Она постоянно горит уже более 110 лет, с 1901 года. Секрет ее долголетия заключается в том, что лампочку практически никогда не выключали. Столь необычайно долгий срок жизни не просто превратил лампу в местную достопримечательность, но и позволил занять ей свое место в книге рекордов Гиннеса как самой старой и работающей лампе в мире. В 2001 году, в столетний юбилей лампочки, рядом с ней была установлена веб-камера, которая позволяет убедиться в том, что лампочка до сих пор работает. [9] (Приложение 1)
Выводы
Во время создания этой работы я прочитал много интересной информации про электрические лампочки, понял, что история лампочки началась с первого факела в пещере. Я понял, что множество учёных участвовало в создании электрического света, такого обычного для нас сейчас.
На примере простой лампы накаливания было изучено её строение, рассмотрено современное устройство.
В ходе работы были проведены разные опыты, благодаря этому я узнал, что лампа накаливания «перегорает»:
- если нарушается целостность стеклянной колбы, и в неё попадает воздух (как мы видели в опытах с водой, и с воздухом);
- из-за нарушения правил пользования лампочкой (скачки электричества, неправильно подобранная мощность, сотрясание лампочки).
- у лампочек есть свой срок службы (примерно 1000 часов работы), но при условии соблюдения правил. Есть лампочки - исключения, которые работают намного дольше.
Таким образом, в ходе работы гипотезы, которые мы выдвинули, нашли своё подтверждение.
Библиографический список
- Маркуша А.М. А я сам…: Книга для тех, кто начинает мастерить.- М.: Дет. лит.,1984. Стр. 124-134.
- Почемучка.-М.: Педогогика,1987. Стр.217.
- Сериал «Семья почемучек» серия 22.
- Электронный конструктор ЗНАТОК книга1, книга
- Я познаю мир: история вещей: Дет. Энциклопедия.- М.:ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2002. Стр. 258-261.; 482-485.
- http://electricalschool.info/main/osnovy/1000-pochemu-lampy-nakalivanija-chashhe.html
- http://remont220.ru/Incandescence_lamp.php
- https://ru.wikipedia.org/
Приложение 1. История лампочки
Лампа Эдисона Лампа Лодыгина
Лампа-свеча Яблочков
Приложение 2. Эксперимент № 1. Сотрясение лампочки
Эксперимент № 2. Попадание воды на лампочку
Эксперимент № 3. Перегрев лампочки
Эксперимент № 4. Попадание воздуха в лампочку
Эксперимент № 5. Долгое использование лампочек
Лампа из штата Калифорния, США