Светящиеся трубки

Светящиеся трубки. Научно популярная библиотека Гостехиздата СССР, ретролитература.

Л. А. Сена «Светящиеся трубки» Издательство технико-теоретической литературы, 1956 год, 56 стр. (1,13 мб. pdf)

Светящиеся трубки, так можно назвать люминесцентную лампу. В отличии от лампы накаливания , где источником света является раскаленная вольфрамовая нить, в люминесцентной свет испускает люминофор, которым лампа покрыта изнутри. А светится люминофор под действием ультрофиолетового излучения, испускаемым ионизированным газом (парами ртути). История возникновения, принцип работы люминесцентной лампы, преимущества и недостатки которые им присущи, об этом вы узнаете из книги. Тем более, что за более чем пол века с момента её издания светящиеся трубки почти не изменились.

Оглавление книги
Как устроена люминесцентная лампа 4
Электрический ток течёт через газ 7
Несколько слов о волнах и квантах света 17
Как рождаются и умирают кванты 20
Почему музей открыт только днём? 27
«Холодный свет» 32
Включение лампы в сеть 40
Преимущества и недостатки люминесцентных ламп 48
Заключение 54
Отрывок из книги
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ТЕЧЁТ ЧЕРЕЗ ГАЗ
Всякий газ в обычных условиях является очень хорошим изолятором, т. е. тока практически совсем не проводит. Нужны какие-то особые условия, которые делают газ проводником. Чтобы понять эти условия, необходимо получить хотя бы краткие сведения о строении атома. В настоящее время всем известно, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц — молекул, которые в свою очередь построены из атомов. Слово «атом» по-гречески значит «неделимый», и ещё лет 60 назад люди полагали, что атомы действительно неделимы.

Однако дальнейшие открытия и исследования показали сложность строения атома. Теперь мы уже знаем, что каждый атом представляет собой сложную систему. Она состоит из тяжёлого ядра, имеющего положительный электрический заряд, и движущихся вокруг него во много тысяч раз более лёгких частиц — электронов, заряженных отрицательно. Количество положительного электричества, сосредоточенное в ядре, равно суммарному отрицательному заряду всех электронов, окружающих ядро. Это значит, что общий электрический заряд атома равен нулю. Электроны, двигаясь вокруг ядра, могут находиться от него на разных расстояниях.

Так как отрицательное и положительное электричество взаимно притягиваются, то для удаления любого электрона от ядра следует затратить энергию, т. е. совершить работу, подобно тому как приходится совершать работу для удаления любого тела от поверхности земли, преодолевая силу земного тяготения. Тело, поднятое высоко над землёй, обладает большей энергией, чем лежащее ближе к поверхности земли. Точно так же электрон, более удалённый от ядра, обладает большей энергией, чем менее удалённый.

Но тело, поднятое над землёй, может иметь значения энергии, которые отличаются друг от друга на сколь угодно малую величину, а в атоме энергия электрона может изменяться только определёнными ступенями, как будто в нём существуют для электронов определённые «энергетические этажи». Значения энергии, которыми могут обладать в атоме входящие в него электроны, называются энергетическими уровнями. Приближаясь к ядру или удаляясь от него, электроны могут только переходить с одного энергетического уровня на другой, переселяться из более низкого «этажа» в более высокий и наоборот. Для того чтобы электрон мог подняться на более высокий энергетический уровень, он должен откуда-то приобрести энергию, необходимую для этого перехода.

При обратном переходе электрон сам способен отдавать избыток энергии. Обычно все электроны в атоме занимают возможно более низкие энергетические уровни. В этом случае говорят, что атом находится в нормальном состоянии. Но не следует думать, что при этом все электроны имеют одинаковую энергию. Напротив того, на одном уровне может находиться не более двух электронов. Если атом содержит несколько электронов, то в нормальном состоянии первые два электрона займут самый низкий уровень, следующие два — ближайший к нему, более высокий и так далее.

Если в атоме один или несколько электронов подняты на более высокие свободные уровни, то такой атом называется возбуждённым. Если сообщить электрону достаточно большую энергию, то его можно совсем оторвать от атома. Тогда атом уже не будет электрически нейтральным, а в целом окажется заряженным положительно. Такой положительно заряженный атом называется ионом. Для того чтобы атом превратить в ион, или, как говорят, ионизовать, необходимо, конечно, затратить энергию большую, чем для возбуждения. Каковы же значения энергии, необходимые для возбуждения или ионизации атома? Можно ли их измерить? Методы современной физики позволяют производить такие измерения с большой точностью. Читатель, вероятно, догадывается, что обычные меры энергии слишком велики, а потому и неудобны для измерения энергии электронов.

Более удобной является специальная единица энергии, которой пользуются в современной атомной физике и которая называется «элек-трон-вольт». Поскольку с этой единицей нам в дальнейшем придётся часто встречаться, мы остановимся на ней несколько подробнее и расскажем о её происхождении. Напомним, что энергия падающего тела может быть измерена произведением высоты падения на вес тела. По отношению к электронам такой способ измерения энергии неудобен, и не только потому, что вес электронов очень мал, а потому, что главная сила, с которой приходится считаться при опытах с электронами, это не сила тяжести, а электрическая сила. Что же в этом случае играет роль веса и что роль высоты падения? С некоторой оговоркой можно сказать, что роль веса играет электрический заряд электрона, а роль высоты — особая электрическая величина, называемая разностью потенциалов и измеряемая в вольтах.

Создать разность потенциалов, или, как часто говорят, напряжение, может любой источник тока, от батарейки карманного фонарика и до мощных электрических машин. Только в первом случае напряжение невелико и составляет всего 2—3 вольта, а во втором оно может достигать сотен тысяч вольт. В нашей осветительной сети разность потенциалов между проводами всё время меняется. Начиная с нуля, она возрастает, достигает максимального значения, затем снова падает до нуля, меняет направление, вновь достигает максимального значения (в противоположном направлении), опять убывает и т. д., повторяя эти изменения 50 раз в секунду.

При этих изменениях наибольшие значения, которых достигает разность потенциалов в одних сетях (обычно в больших городах), составляют около 180 вольт, а в других (в сёлах, загородных посёлках) около 310 вольт. Если присоединить к полюсам источника тока две пластинки, то между ними возникнет разность потенциалов такой величины, какую способен создать данный источник. При этом одна пластинка, называемая анодом, будет заряжена положительным электричеством, а другая, называемая катодом,— отрицательным. Если около катода окажется электрон, он будет отталкиваться от катода и притягиваться к аноду, так как заряд электрона отрицательный. Чем больше разность потенциалов между катодом и анодом, тем сильнее разгонится электрон и тем с большей энергией ударится об анод.

Правильнее сказать: заряд соответствует массе тела, а разность потенциалов — произведению высоты на ускорение силы тяжести.Поскольку заряд электрона неизменен, то при прохождении той или иной разности потенциалов он приобретает энергию, которая определяется только величиной этой разности потенциалов. Энергия, приобретаемая электроном при прохождении им разности потенциалов, равной одному .вольту, и называется «электрон-вольт». Исследования показали, что электрон, обладающий энергией в один электрон-вольт, движется с внушительной скоростью около шестисот километров в секунду. Так как другие частицы (атомы, молекулы) часто получают энергию за счёт энергии электронов, то и их энергию очень удобно измерять в электрон-вольтах. Опыты показали, что один электрон-вольт приблизительно в шестьсот миллиардов раз мецьше, чем энергия, которую надо затратить, чтобы поднять один миллиграмм на один сантиметр. Впрочем, это число мало говорит нашему воображению.

Лучше сравнить электрон-вольт (далее мы сокращённо будем писать э-в) с энергиями других частиц — атомов и молекул. У молекул газа при комнатной температуре средняя энергия движения составляет около четырёх сотых э-в. Атомы вольфрама, образующие нить лампочки накаливания, при нормальном накале имеют энергию около трёх десятых э-в. При процессах, сопровождающих получение атомной энергии, отдельные частицы приобретают энергию, достигающую сотен миллионов э-в. В Советском Союзе построена специальная установка, в которой искусственным путём можно сообщать заряженным частицам энергию в десять миллиардов э-в. Энергия ионизации атомов имеет значения примерно от 4 до 25 э-в. Для атома водорода энергия ионизации около 13,5 э-в, для атома ртути — 10,4 э-в, для атома аргона 15,7 э-в. Такого же порядка, но соответственно меньше энергии возбуждения атомов. Для примера на рис. 7 схематически показаны энергетические уровни атома водорода. Когда из отдельных атомов строятся молекулы, а из молекул — окружающие нас тела, энергетические уровни изменяются благодаря действию атомов друг на друга.

Появляются новые уровни и соответственно становится возможным значительно большее число различных возбуждённых состояний. Энергетические уровни электронов оказываются гораздо ближе друг к другу, причём они настолько сближаются, что переход электрона с одного уровня на другой требует ничтожной затраты энергии. При этом в некоторых телах электроны как бы утрачивают связь со своим атомом и могут легко перемещаться по всему телу. Легко видеть, что такое тело будет являться проводником. Действительно, если к его концам приложить разность потенциалов, то электроны начнут двигаться от отрицательного конца к положительному, а такое движение заряженных частиц (в данном случае электронов) и является по современным представлениям электрическим током.

Однако, в отличие от обычных проводников, в газах (в том числе и в парах металлов), где атомы находятся друг от друга на сравнительно очень больших расстояниях, электроны прочно связаны со своими атомами, свободные электроны почти полностью отсутствуют и ток проходить не может. Следовательно, чтобы сделать газ проводником, необходимо хотя бы у некоторых его атомов оторвать по крайней мере по одному электрону, то есть ионизовать их.

Ионизация атомов газа, как мы уже говорили, требует затраты энергии, которую можно получить, например, нагреванием газа, но для этого потребовалась бы очень высокая температура. Ионизацию можно также произвести, передав электрону атома энергию ударом какой-нибудь частицы (электрона, иона), обладающей достаточно большой скоростью. Удобнее всего производить ионизацию электронами. Но где же взять эти электроны? Очевидно, должны быть какие-то начальные электроны, которые, ударяясь об атомы и ионизуя их, смогли бы создать необходимое число электронов и ионов (ионы будут образовываться при ионизации одновременно с электронами). Хотя начальные электроны могут возникать самым различным образом, мы в этой книжке будем говорить только о том случае, когда они возникают на катоде, т. е. на отрицательном электроде (проволоке или пластинке), введённом в газ.

Поскольку в металле имеются практически свободные электроны, можно подумать, что электроны покидают катод просто под действием притяжения к положительному электроду (аноду). Подобное явление действительно могло бы иметь место, но для этого при расстоянии между пластинами в 1 см нужно было бы приложить разность потенциалов по крайней мере в сотни тысяч или миллионы вольт. Между тем на практике проводимость газа может обнаружиться при разностях потенциалов в сотни, иногда в десятки вольт, а в отдельных случаях и в несколько вольт. Повидимому, есть какая-то причина, мешающая электронам покидать металл, в котором они находятся.

В то же время могут быть созданы такие условия, благодаря которым, несмотря на наличие этой причины, возможен выход электронов из металла. Сущность причины, удерживающей электроны в металле, заключается в том, что, как только электрон окажется за пределом металла, он начнёт отталкивать от себя все остальные электроны, находящиеся в металле. Поэтому металл со стороны вышедшего электрона слегка зарядится положительно, а противоположная сторона — отрицательно. Так как положительный заряд металла находится ближе к ушедшему электрону, чем отрицательный, то весь кусок металла в целом будет притягивать к себе этот электрон, препятствуя его уходу.

Работа, которую надо совершить, чтобы преодолеть эту силу притяжег ния и полностью оторвать электрон от металла, называется работой выхода электрона из металла. Таким образом, для того чтобы электрон вышел из металла, ему необходимо сообщить энергию, равную работе выхода. Исследования показали, что для большинства чистых металлов работа выхода составляет от 3 до 5 э-в. По сравнению с металлами малой работой выхода электронов обладают некоторые окислы металлов (бария, стронция, кальция). Поэтому на поверхность вольфрамовой проволочки электродов люминесцентной лампы и наносятся эти окислы, чтобы облегчить выход электронов.

Однако и при наличии этих окислов катод для испускания электронов должен откуда-то получить энергию, необходимую для совершения работы выхода. Проще всего сообщить эту энергию, если нагреть катод до достаточно высокой температуры. Чем меньше работа выхода, тем меньший нагрев потребуется для получения нужного числа электронов. Чистый вольфрам пришлось бы нагреть почти до двух с половиной тысяч градусов, а при покрытии его соответствующими окислами достаточна температура меньше чем в 900° С. Вот почему нити люминесцентной лампы при её работе светятся так тускло. Какова дальнейшая судьба электронов, покинувших катод?

Увлекаясь действием электрических сил, обусловленных наличием разности потенциалов между катодом и анодом, электрон, покинув катод, начнёт двигаться по направлению к аноду, постепенно ускоряя свой бег. Однако на своём пути он будет встречать атомы газа. Столкновение с встречными атомами носит различный характер. В одних случаях электрон может упруго отскакивать, почти не теряя своей энергии (поскольку масса атома во много тысяч раз больше массы электрона), в других случаях, если энергия электрона достаточно велика, может происходить ионизация атомов, в третьих — их возбуждение.

Частые столкновения электронов с атомами и резкие перемены направления их движения при таких столкновениях приводят к тому, что движение электронов становится в сильной мере беспорядочным, напоминающим до* некоторой степени падение снежинок. Если проследить за отдельной снежинкой, то её движение покажется нам совсем беспорядочным. Несмотря на это, сила тяжести постепенно приближает снежинку к земле. Таким же образом электрическая сила притяжения электрона к положительно заряженному аноду постепенно приближает к нему электрон. Беспорядочность движения электрона делает его путь от катода к аноду очень длинным и запутанным. В остальных точках излома линии движения электрона послед* ний упруго отскакивает от встречного атома.

Собственно говоря, электрон, выйдя из катода, может до анода и не дойти, а по дороге соединиться с одним из ионов и вновь образовать нейтральный атом. Такое соединение особенно вероятно, если ион и электрон встретятся на стенке трубки. Вместо «погибшего» электрона продолжать путь к аноду будет какой-нибудь другой электрон из числа тех, которые образовались при ионизации атомов. В газе будет одновременно находиться очень много электронов и ионов, и поэтому очень велико будет число разнообразных столкновений электронов с атомами, в том числе и таких, при которых происходит ионизация и возбуждение атомов. Ионы, возникающие при ионизации атомов, движутся в сторону, противоположную электронам, т. е. от анода к катоду.

Таким образом, пока катод сохраняет достаточно высокую температуру и пока между катодом и анодом существует разность потенциалов (минус на катоде и плюс на аноде), сквозь трубку будет проходить электрический ток. От катода к аноду будут идти электроны, а от анода к катоду — ионы. Но при взгляде на схему включения и работу люминесцентной лампы.Два катода установлены в лампе потому, что в нашей осветительной сети течёт не постоянный, а переменный ток, направление которого меняется сто раз в секунду. Пятьдесят раз он течёт в одну сторону и пятьдесят раз в другую. И в лампе каждый электрод пятьдесят раз в секунду является катодом и пятьдесят раз анодом. Поэтому оба электрода делаются одинаковыми. Теперь уясним себе, как электроды сохраняют свою температуру после выключения выключателя В2.

В первый момент включения лампы, когда включены оба выключателя, ток, проходя через оба электрода лампы, нагревает их, и они становятся способными испускать электроны. Но при этом ток будет идти мимо лампы, через выключатель В2, и лампа гореть не будет. Через одну-две секунды электроды достаточно нагреваются и выключатель В2 выключается. Вся разность потенциалов сети окажется теперь приложенной к лампе между её электродами. Электроды, нагревшись, остывают не сразу, а потому и после выключения выключателя В2 они продолжают испускать электроны.

Приложенная к трубке разность потенциалов разгоняет электроны, вылетающие из того электрода, который в данный момент является катодом, и сквозь лампу начинает проходить электрический ток. При прохождении тока каждый электрод поочерёдно бомбардируется ионами и электронами (в зависимости от того, является ли он в данный момент катодом или анодом) и нагревается ими. Вследствие этого температура электродов всё время сохраняется достаточно высокой для испускания электронов.

Скачать книгу бесплатно1,13 мб. pdf

 

Принцип работы люминисцентной лампы. Видео

 

Похожая литература