Загадка над головой

Если мы посмотрим вверх, то, скорее всего, увидим или люминесцентную лампу, или лампу накаливания. Любой технический объект — средоточие десятков инженерных решений и, следовательно, научных достижений. Вот, например, люминесцентная лампа...

Из школьного курса физики или из популярных книжек мы знаем, что в баллоне этой лампы находится газ, что ток протекает по газу потому, что в нем имеет место газовый разряд, который и светится. Но если посмотреть на лампу пристально (в отличие от лампы накаливания ничего неприятного в этом нет), то возникает несколько вопросов. Первый — почему, собственно, лампа светится так, что мы это свечение видим? Как известно, видимым светом светится молния, которая тоже есть газовый разряд, но несравненно более мощный. Ток и напряжение в люминесцентной лампе в десятки тысяч раз меньше, чем в молнии, а светится таким же светом. Странно. И тут мы вспоминаем сразу две вещи: так называемые неоновые лампы реклам, которые светятся совершенно иначе, и загадочные лампы, по форме совершенно такие же, как обычные люминесцентные, но светящиеся очень слабым темно-фиолетовым светом. Мы видели подобные лампы в ларьках, где торгуют светящимися в темноте игрушками, а кто ходит на дискотеки — могли видеть их там.

Так вот, этот слабый свет и есть видимая часть излучения газового разряда при тех его параметрах, которые свойственны люминесцентной лампе. Но в основном излучает этот разряд в ультрафиолетовой области. Такое излучение имеет высокую энергию (напомним, что энергия кванта пропорциональна частоте), оно возбуждает люминесценцию, поэтому и светятся украшения на стенах зала — люминесцентные краски, игрушки, сделанные из пластмасс с соответствующими добавками, и, наконец, обычные, не фиолетовые, люминесцентные лампы. Баллон лампы покрыт изнутри люминофором — веществом, поглощающим ультрафиолетовый квант и излучающим в видимой части спектра. Состав люминофора определяет конкретный спектр излучения, и лампы бывают разные. В местах, где ламп много (например, на некоторых станциях метро), видно, что лампы светятся по-разному: одни светятся немного желтее, другие — белее. Соответственно они называются лампами дневного света и лампами белого света, хотя в разговорной речи их всех называют лампами дневного света. Заметим, что люминесцентные покрытия совершенно так же применяются для преобразования синего света в белый в светодиодах. Белый светодиод — это синий, в котором на излучающую поверхность кристалла нанесено покрытие.

На этом наши вопросы к газовому разряду не закончились. Сам разряд имеет низкое сопротивление, и если «воткнуть» лампу прямо в сеть, то хорошо, если просто сработают предохранители. Включать лампу просто через сопротивление нельзя — будет зря выделяться мощность. Но можно включить разряд через дроссель — это реактивное (индуктивное) сопротивление, и в нем не выделяется мощность. Точнее, выделяется, но небольшая — за счет потерь на перемагничивание железного сердечника дросселя. Итак, проблему с включением низкоомного разряда в сеть мы решили, но включать пока нечего, самого разряда у нас нет. Ибо если к газоразрядной лампе просто приложить сетевое напряжение, ток не пойдет, а разряд не загорится. Чтобы это произошло, надо внести в газ носители заряда. Сделать это легко: в торцах лампы устанавливаются два катода — металлические проволочки, покрытые веществом, которое начинает испускать электроны при нагреве. Включив лампу, мы пропустим ток по проволочкам, нагреем катоды, и они начнут эмиттировать электроны в газ. Когда разряд загорится, мы отключим накал и эмиссия будет поддерживаться за счет бомбардировки катодов ионами. И вроде бы все хорошо, но как-то не хочется всякий раз при включении лампы дополнительно включать и отключать накал. И еще: а вдруг лампа почему-то погаснет, например из-за кратковременного отключения энергии. Ну и что, опять бежать и нажимать?

Разумеется, нынче существуют так называемые «схемы поджига», которые обеспечивают зажигание разряда. Но самое первое и наиболее распространенное на сегодня решение таково. Последовательно с нитями накала включается так называемый «стартер». Собственно, это и есть выключатель, только автоматический. В нем ток протекает по биметаллической пластинке, при этом она нагревается, два металла расширяются по-разному, пластинка изгибается и размыкает цепь. В начальный момент ток течет по нитям катодов и стартеру, все они греются, катоды выдают электроны в лампу, стартер через некоторое время размыкается, и катоды перестают греться. Казалось бы, все, лампа светит. Но жизнь не стоит на месте.

Стартер остывает, замыкается, закорачивает лампу (см. схему), катоды начинают греться, но лампа-то при этом гаснет! Поскольку в реальной ситуации — посмотрите вверх — этого не происходит, значит, стартер работает иначе. И действительно, проверив стартер любым омметром или просто с помощью батареек и лампочки, мы немедленно узнаем, что в холодном состоянии стартер разомкнут. Теперь понятно, почему после охлаждения он не закорачивает лампу. Но возникает другой вопрос: как он обеспечивает протекание тока через нити накала, если разомкнут?

Если наблюдать за лампой, то мы немедленно увидим, что в момент включения стартер светится, причем свечение стартера возникает мгновенно. Стало быть, это газовый разряд. Зазор между контактами в стартере мал, при напряжении в сети он пробивается, начинает идти ток, катоды и стартер греются, электроны поступают в лампу, загорается основной разряд, тем временем контакты в стартере расходятся, разряд в нем гаснет, ток через нити накала прекращается, стартер начинает остывать, его контакты сближаются... караул! Сейчас в стартере загорится разряд, он закоротит лампу…

К счастью, не все так плохо. На горящем разряде напряжение существенно меньше сетевого. И при этом небольшом напряжении стартер не пробивается. Вот если почему-то разряд в лампе погаснет, то на ней и на стартере окажется все сетевое напряжение, стартер пробьется, катоды начнут греться, основной разряд загорится.

И мы сможем сидеть под лампой, писать заметку о том, как она работает, читать наш журнал и вообще делать все, что нам удобнее делать при свете.