К.Ю.Богданов,
школа № 1326, г. Москва. KBogdanov@mtu-net.ru

Синтез наук – оружие познания XXI века

Элективный курс. 10–11-й классы, естественнонаучный профиль (136 ч, 2 ч/нед.)

Предлагаемый курс состоит из 44 двухчасовых лекций, 8 тестовых, 4 зачётных и 10 вспомогательных двухчасовых занятий. Он разделён на 8 разделов в соответствии с учебными четвертями. В конце каждой четверти производится тестирование (30 вопросов) на усвоение предыдущих 5–6 лекций. Двухчасовые лекции написаны в формате PowerPoint или Web-страниц. Каждая иллюстрируется примерно 30 слайдами и посвящена одной из 44 тем, лежащих на стыке естественных наук: физики, экономики, биологии, химии, географии, астрономии и др. Каждый год курс обновляется в соответствии с новыми достижениями мировой науки и техники. Курс является оригинальной и, по-видимому, первой в России попыткой рассказать школьникам на многочисленных примерах, как синтез различных наук помогает объяснить, казалось бы, необъяснимые явления окружающего мира. Приводим тематическое планирование курса и в качестве примера одну лекцию (уроки 57–58).

Цели курса: обучение школьников активному использованию базовых понятий, полученных в основных учебных курсах, для объяснения явлений окружающего мира; создание и закрепление межпредметных связей; демонстрация синтеза различных наук как мощного оружия разума.

Константин Юрьевич Богданов – выпускник МФТИ, к.ф.-м.н., д.биол.н., заместитель директора по научно-методической работе школы
№ 1326, автор ряда книг и журнальных публикаций.
Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – Библиотечка «Квант», 1986, № 49.
Богданов К.Ю. Как мы дышим? – Квант, 1986, № 5.
Богданов К.Ю. Большие и маленькие на прогулке. – Квант, 1990, № 6.
Богданов К.Ю. Хищник и жертва. – Квант, 1993, № 3/4.
Богданов К.Ю., Черноуцан А.И. Чуть-чуть физики для настоящего охотника. – Квант, 1996, № 1.
Bogdanov K. Biology in Physics. – Academic Press Inc., London-Boston, 2000.
Богданов К.Ю. Вода внутри нас. – Квант, 2003, № 2.
Богданов К.Ю. Физика автомобильных пробок. – Квант, 2003, № 5.
Богданов К.Ю. Как быстрее спуститься на лифте в час пик. – Квант, 2004, № 1.
Богданов К.Ю. Математика социального неравенства, или О том, что может натворить сломанный кассовый аппарат. – Квант, 2004, № 5.
Богданов К.Ю. Человек и Общество: перо и компьютер (научно-художественный взгляд). – М.: ФМЛ, 2005 (в печати).

Тематическое Планирование

10-й класс

Уроки 1–2. Роль науки в современном обществе. Наши соотечественники – лауреаты Нобелевской премии.

Уроки 3–4. Теория размерностей и её применение в оценке спортивных достижений.

Уроки 5–6. Распространение волн по воде и звука. Эффект Доплера. Сверхзвуковой барьер и хлопок.

Уроки 7–8. Всё о силе трения. Недостатки современного автомобиля. «Гибридный» автомобиль – машина будущего.

Уроки 9–10. «Парадокс заключённых»: последствия для экологии и экономики. Введение в экофизику.

Уроки 11–12. Введение в теорию вероятности. Зависимые и независимые события. Задачи смешные и не очень.

Уроки 13–14. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 15–16. Работа над ошибками.

Уроки 17–18. Теория сопротивления материалов. Закон Гука. Почему наши кости такие прочные, а горы – не выше 10 км?

Уроки 19–20. Вода и жизнь на Земле. Вода – полярный растворитель. Снежинки, лёд и борьба с гололёдом.

Уроки 21–22. Физика стирки. Что такое поверхностное натяжение, или Как мыло моет?

Уроки 23–24. Современные способы очистки воды.

Уроки 25–26. Физика дыхания. Как мы дышим на земле и под водой. Кессонная болезнь и как можно её избежать.

Уроки 27–28. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 29–30. Работа над ошибками.

Уроки 31–32. Консультация перед зачётом.

Уроки 33–34. Зачёт.

Уроки 35–36. Введение в аэродинамику полёта. От чего зависит подъёмная сила крыла и как устроен самолёт.

Уроки 37–38. Введение в физику атмосферы. Почему и куда дуют ветры, откуда ураганы берут энергию.

Уроки 39–40. Глобальное потепление и парниковый эффект – вызов человечеству.

Уроки 41–42. Введение в геофизику. Тектоника плит коры Земли. Землетрясения и вулканическая активность.

Уроки 43–44. Как измерили скорость света. Введение в частную теорию относительности.

Уроки 45–46. Введение в космологию. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная. Постоянная Хаббла.

Уроки 47–48. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 49–50. Работа над ошибками.

Уроки 51–52. История и будущее двигателей: паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания.

Уроки 53–54. История покорения космоса. Формула Циолковского. Различные виды реактивных двигателей.

Уроки 55–56. Как сокращаются мышцы и движутся роботы.

Уроки 57–58. История лампочки. Как работают современные осветительные приборы.

Уроки 59–60. Основные научные открытия прошедшего года.

Уроки 61–62. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 63–64. Работа над ошибками.

Уроки 65–66. Консультация перед зачётом.

Уроки 67–68. Зачёт.

11-й класс

Уроки 1–2. Физика, химия и биология загара. Как действуют кремы от загара и для загара.

Уроки 3–4. Источники постоянного тока. История открытия и современные решения.

Уроки 5–6. От дамасской стали до памперсов: введение в науку о материалах.

Уроки 7–8. Клонирование и стволовые клетки – современные рецепты бессмертия.

Уроки 9–10. Физика молнии. Больше вопросов, чем ответов. Фульгурит – след молнии.

Уроки 11–12. Как принять оптимальное решение. Линейное программирование в экономике и экологии.

Уроки 13–14. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 15–16. Работа над ошибками.

Уроки 17–18. Природа «живого» электричества. Потенциал покоя и нервный импульс.

Уроки 19–20. Что такое электрокардиограмма и электроэнцефалограмма. Что они говорят о сердце и мозге.

Уроки 21–22. Молекулярная биология раковых заболеваний: знать, а не бояться .

Уроки 23–24. Тепло или холодно? Принципы терморегуляции у человека и животных.

Уроки 25–26. Как работают компрессионные и адсорбционные холодильники. Тепловые насосы.

Уроки 27–28. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 29–30. Работа над ошибками.

Уроки 31–32. Консультация перед зачётом.

Уроки 33–34. Зачёт.

Уроки 35–36. Что такое вирусы, и как мы с ними боремся. Грипп, СПИД и гепатит С – болезни XXI в.

Уроки 37–38. Бактерии плохие и хорошие. Как лечат и почему перестают лечить антибиотики.

Уроки 39–40. Введение в реологию. Как вязкость определяет качество крема и краски, и почему рот вяжет от хурмы.

Уроки 41–42. Изготавливаем пластилин, прыгающий, как мячик, и Flubber – материал с редкими реологическими свойствами.

Уроки 43–44. Научная теория плавания. Число Рейнольдса. Как плавают рыбы и бактерии. Как плавать в киселе.

Уроки 45–46. Как работают различные датчики, устройства и приспособления, окружающие нас в повседневной жизни.

Уроки 47–48. Тест по шести предыдущим темам.

Уроки 49–50. Работа над ошибками.

Уроки 51–52. Живая оптика. Как видят человек, насекомые, рыбы и другие животные.

Уроки 53–54. Что происходит в месте контакта разных материалов: полупроводники, светодиоды и термоэлектричество.

Уроки 55–56. Моделирование больших систем. Как образуются автомобильные пробки, и к чему приводит паника.

Уроки 57–58. Работа над ошибками.

Уроки 57–58. Время и как его измеряют. Радиоактивная память – часы на миллиарды лет.

Уроки 59–60. Основные научные открытия прошедшего года

Уроки 61–62. Тест по пяти предыдущим темам.

Уроки 63–64. Работа над ошибками.

Уроки 65–66. Консультация перед зачётом.

Уроки 67–68. Зачёт.

Уроки 57–58. История лампочки. Как работают современные осветительные приборы

Освещёные окна домов и улицы. Огни рекламы и проносящихся мимо автомобилей. Всё это приметы нашей цивилизации. Искусственное освещение сделало человека менее зависимым от солнечного света. Держа в руках горящий факел, люди могли передвигаться по ночам и устраивать ночлег в глубине пещер, где и находят их наскальные рисунки. Свет факелов сделал рабочий день первобытных людей более продолжительным и продуктивным, способствуя, таким образом, прогрессу человечества. С тех пор как человек впервые использовал факел для освещения, прошло несколько десятков тясяч лет, но и сейчас, сами того не замечая, мы продолжаем использовать факелы, ведь слово лампа происходит о греческого (lampada), что означает факел.

До конца XIX в. искусственное освещение было газовым или керосиновым и всегда сопровождалось копотью, а иногда и искрами, от которых легко мог возникнуть пожар. При горении концентрация кислорода в воздухе помещения уменьшалась, а углекислый газ накапливался, — становилось душно. Если даже зажигали много светильников одновременно, света не хватало. Да и горючее стоило дорого.

Исследования В.В.Петрова (1761–1834), Х.Дэви (1778–1829), П.Н.Яблочкова (1847–1894), А.Н.Лодыгина (1847–1923) и Т.-А.Эдисона (1847–1931) дали человечеству первую газоразрядную лампочку (свеча Яблочкова) и лампу накаливания, открыв эру электрического освещения – без копоти, газа и дыма. Электрическая лампа была пожаробезопасна, и её не нужно было регулярно открывать, чтобы заправить горючим и подправить фитиль. Годом рождения электрического освещения считают 1880 г., и с тех пор у электрической лампы не было конкурентов.

Кружевница использует круглую бутылку с водой в качестве линзы. Такую линзу описал Джон Уайт в 1651 г. (из книги: Seeing the Light. 1986.
Авторы: D.Falk, D.Brill, D.Stork)

Известные и неизвестные имена в ламповом семействе. Наступает день, и мы заходим в магазин, чтобы купить подходящую лампу для дома или офиса. Какую лампу выбрать? Почему они такие разные по виду и цене? И вообще, чем они отличаются друг от друга?

Существуют два основных типа ламп: лампы накаливания, источником света в которых служит раскалённая металлическая нить (спираль), и газоразрядные, свет в которых возникает из-за электрического разряда в газе.

Схематический разрез обычной лампы накаливания: 1 – опоры, фиксирующие положение спирали; 2 – вольфрамовая нить, свёрнутая в спираль; 3 – стеклянная колба лампы; 4 – стеклянная стойка, поддерживающая опоры спирали; 5 – винтовой электрический контакт; 6 – изолятор; 7 – нижний электрический контакт лампы; 8 – инертный газ, заполняющий лампу

Однако и лампы накаливания бывают разные: аргоновые, криптоновые, ксеноновые, галогенные и кварц-галогенные. В свою очередь, газоразрядные лампы подразделяются на те, где газ внутри находится под низким давлением (лампы дневного света, или люминесцентные, ультрафиолетовые и так называемые неоновые лампы рекламных огней) и под высоким давлением (ртутные паросветные лампы, натриевые дугоразрядные и металл-галогенные лампы). Газоразрядные лампы высокого давления обладают огромной яркостью и не предназначены для домашних условий. Они широко используются в осветительных установках различных коммерческих помещений, выставок, торговых центров, служебных помещений, гостиниц, ресторанов, в установках для подсветки рекламных щитов и витрин, для освещения спортивных сооружений и стадионов, для архитектурной подсветки зданий и соооружений.

Что касается ламп накаливания, вроде бы всё ясно. Через вольфрамовую нить проходит электрический ток, накаляет её добела, и она становится источником света. Непонятно только, зачем лампы накаливания заполняют то аргоном, то криптоном, а то и галогенами. Названия остальных ламп вызывают ещё больше вопросов. То, что разряд молнии может на мгновение осветить всё вокруг, доказывать не надо, но, как такие же разряды через наполненную паром лампу могут быть источником постоянного света? И вообще, откуда берётся свет?

Свет излучают вещества, доведённые до раскалённого состояния. В пламени свет излучают раскалённые частички сажи, а в лампе накаливания – вольфрамовая нить. Кстати, в первых лампах ток пропускали через хлопковые нити, покрытые угольной пылью, и только в 1915 г. американский физик И.Ленгмюр (1881–1957), будущий лауреат Нобелевской премии (1932), предложил изготавливать нити накаливания из самого тугоплавкого металла, вольфрама, что в несколько раз увеличило срок их службы и яркость.

Чем выше поднимается температура нити, тем большая часть энергии, подводимой к лампе, излучается в виде света. Но, чем ближе приближается температура нити к температуре плавления вольфрама (3380 °С), тем быстрее нить испаряется, а лампа перегорает. Для того чтобы замедлить испарение нити, И.Ленгмюр предложил заполнять лампы накаливания инертным газом. Это увеличило срок службы ламп до 1000 часов!

Инертный газ внутри ламп накаливания. Почему заполнение ламп накаливания инертным газом замедляет испарение? Представим себе, что одна из молекул вольфрама, находящаяся на поверхности нити, получив от соседей достаточно энергии, чтобы «испариться», покидает поверхность, но сразу же наталкивается «лоб в лоб» на подлетающую к нити молекулу газа. Очевидно, что результатом такого столкновения будет возвращение «блудной» молекулы вольфрама обратно к нити. А значит, присутствие газа в лампе накаливания должно замедлять испарение вольфрама. С другой стороны, чтобы вольфрам не потерял своё уникальное свойство – быть самым тугоплавким металлом, – этот газ не должен вступать в химическую реакцию с вольфрамом, т.е. быть инертным. Но какой инертный газ выбрать?

К инертным (или благородным) газам относятся шесть элементов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон), находящиеся в VIII группе периодической системы Менделеева. Своё название они получили за то, что практически не вступают в химические реакции даже при высоких температурах. Внешняя электронная оболочка их атомов заполнена полностью, что препятствует соединению с другими атомами, делая их инертными. Первым, в 1868 г., был обнаружен гелий, но не на Земле, а на Солнце. Это сделали астрономы, когда стали изучать спектр света, испускаемого солнечным диском. Линия в этом спектре указывала на присутствие неизвестного химического элемента. Его назвали гелий (helium от греческого [гелиос]) – солнце), считая, что открыли свечение одного из неизвестных металлов, находящихся на поверхности Солнца. Поэтому окончание -ium в его названии соответствовало металлической природе открытого элемента. Спустя много лет оказалось, что гелий не металл, а самый лёгкий из инертных газов. Но название осталось прежним. Открытие всех инертных газов (кроме радона) было сделано при активном участии У.Рамзая (1852–1916) в самом конце XIX в., и за это ему была присуждена Нобелевская премия (1904). Ну, и конечно, все инертные газы (кроме гелия) получили названия, оканчивающиеся на -on, что принято для газов.

Выбирая инертный газ для ламп накаливания, учитывали его свойства и доступность (цену). Радон, являясь продуктом радиоактивного распада радия, сам обладал радиоактивностью, и поэтому сразу же был исключён из списка возможных кандидатов. Гелий (молекулярный вес 4) был чересчур лёгким, чтобы отталкивать испаряющиеся атомы вольфрама (молекулярный вес 184) обратно к нити. Неон (молекулярный вес 20), хотя и был тяжелее гелия в 5 раз, но стоил раз в 10 дороже. Следующим в списке был аргон (молекулярный вес 36). Концентрация аргона в атмосфере – около 1%, поэтому он является самым дешёвым из инертных газов. Концентрация криптона в атмосфере Земли в 7000 раз меньше, а ксенона – в 200 000 раз меньше, что делало их производство очень дорогим. Всё это на долгое время определило выбор изготовителей ламп накаливания: аргон.

Однако со временем новые технологии сделали производство криптона (молекулярный вес 72) и ксенона (молекулярный вес 108) относительно дешёвым. Так, стоимость 1 л криптона уменьшилась до 3 долл. США, что позволило использовать криптон для заполнения ламп накаливания. Как и следовало ожидать, срок службы ламп, наполненных криптоном, увеличился. Кроме того, криптоновые лампы позволяют повысить температуру раскалённой вольфрамовой нити при том же рабочем ресурсе (сроке службы), что и у аргоновых. В результате яркость криптоновых ламп на 10% выше, чем у аргоновых той же мощности.

Галогенная лампа – современный предел для лампы накаливания. Обычная лампа накаливания, даже наполненная криптоном, обладает рядом недостатков. Один из них – относительно большие размеры, т.к. стекло лампы может расплавиться, если приблизить его к спирали слишком близко. Можно, конечно, вместо обычного стекла использовать кварцевое, температура плавления которого гораздо выше. Однако испаряющийся вольфрам, осаждаясь на меньшую поверхность стекла, быстро затемняет её и блокирует свет, идущий от раскалённой нити.

В 1958 г. в компании General Electric было найдено технологическое решение, так называемый галогенный цикл, с помощью которого можно удалять с внутренней поверхности стекла осевшие там атомы вольфрама. Чтобы галогенный цикл заработал, лампу накаливания надо заполнить смесью инертного газа (аргона или криптона) и газа-галогена (например брома), а поверхность стекла приблизить так близко к раскалённой нити, чтобы его температура стала выше 200 °С. Галогенный цикл работает следующим образом:

– испарившаяся молекула вольфрама движется к стеклу лампы и осаждается на нём;

– там она образует химическое соединение с атомом брома (газ);

– молекула соединения движется с конвективными потоками газа и случайно «натыкается» на раскалённую спираль лампы;

– оказавшись на спирали, эта молекула диссоциирует (распадается) на вольфрам, остающийся на спирали, и бром, уходящий в газ, наполняющий лампу.

Схема галогенного цикла (1–4 – последовательные этапы), в результате которого испарившиеся атомы вольфрама, взаимодействуя с атомами галогена, возвращаются на раскалённую спираль лампы; a – вольфрамовая нить; b – колба лампы из тугоплавкого стекла или кварца

Таким образом, галогенный цикл очищает внутреннюю поверхность стекла от осаждающихся молекул вольфрама и одновременно восстанавливает целостность вольфрамовой нити. Использование галогенного цикла позволяет не только уменьшить размеры ламп накаливания, что делает их незаменимыми источниками света в автомобильных фарах, но и поднять температуру нити с 2500 до 3000 °С. В результате галогенные лампы обладают не только удвоенным рабочим ресурсом работы (2000 ч), но и увеличенной на 20% яркостью по сравнению с обычными лампами накаливания такой же мощности. Иными словами, более экономно расходуют энергию. Галогенные лампы могут иметь самую различную форму, но их размеры, как правило, меньше, чем у обычных ламп накаливания.

Миниатюрная галогенная лампа (слева) и обычная лампа накаливания той же мощности

Как зажечь свет вдали от электрической розетки. Как правило, мы вспоминаем об электрическом фонарике только тогда, когда у нас дома гаснет свет. Электрический фонарик, работающий на батарейках или аккумуляторах, служит одним из примеров низковольтных источников освещения. Ну а самым распространённым низковольтным источником освещения, конечно, являются автомобильные фары. Кроме того, низковольтное освещение широко используется там, где велика вероятность поражения электрическим током – при подсветке бассейнов и фонтанов, а также загородных домов.

Большинство современных низковольтных ламп накаливания – это галогенные лампы, работающие от напряжения 12 В. Низкое напряжение позволяет сделать эти лампы не только электрически безопасными, но и сверхминиатюрными, и вот почему. Электрический ток через обычную галогенную и низковольтную лампы одинаков, т.к. его величина определяется только диаметром вольфрамовой нити. С другой стороны, закон Ома требует, чтобы в низковольтных лампах, где электрическое напряжение меньше в 20 раз по сравнению с обычными галогенными лампами (рассчитанными на напряжение 220 В), сопротивление электрическому току также было меньше в 20 раз. Таким образом, длина нити накаливания в низковольтных лампах приблизительно в 20 раз меньше, что обеспечивает очень малые размеры такой лампы (точечный источник света).

Источники света малых размеров широко используются для получения параллельных пучков света, для чего источник помещают в фокусе параболического зеркала. Такие пучки применяют для локального освещения объектов и освещения в избранном направлении, что позволяет очевидно снизить энергетические расходы. Поэтому низковольтные лампы накаливания, снабжённые параболическим зеркалом, чаще всего используют в тех случаях, когда необходима локальная подсветка.

Низковольтная лампа накаливания с параболическим отражателем (слева) и её использование для локальной подсветки снаружи дома

Ещё одно преимущество низковольтных ламп – высокая устойчивость к тряске. Это опять следует из малой длины и массы нити накаливания. В результате силы инерции, возникающие при ускорениях и являющиеся основной причиной разрыва нити накаливания, приблизительно в 20 раз меньше, чем у ламп, рассчитанных на 220 В. А значит, и устойчивость к тряске во столько же раз выше.

Однако низковольтные лампы не лишены и недостатков. Тем, кто не хочет возиться с батарейками и аккумуляторами, необходимо приобрести трансформатор, понижающий напряжение с 220 В до той величины, на которую рассчитана низковольтная лампа. Это несколько удорожает и усложняет установку низковольтного освещения.

Газоразрядная лампа: светит, но не греет. Главным недостатком ламп накаливания является то, что большая часть энергии, расходуемой на освещение, тратится на нагрев ламп. Даже в самых экономичных галогенных лампах только 10% процентов затраченной энергии превращается в свет, а остальные 90% – в тепло. Однако имеется и другое средство сделать свет из электричества – это электрический разряд. Электрический дуговой разряд в воздухе впервые описал Василий Владимирович Петров в 1802 г. Ослепительно яркий свет электрической дуги тогда давал надежду, что со временем люди смогут отказаться от свечей, лучины, керосиновой лампы и даже газовых фонарей. В первых дуговых светильниках приходилось постоянно сдвигать поставленные «носами» друг к другу угольные электроды, и поэтому они достаточно быстро выгорали. В 1875 г. Павел Николаевич Яблочков предложил надёжное и простое решение. Он расположил угольные электроды параллельно, разделив их изолирующим слоем. Изобретение имело колоссальный успех, и свеча Яблочкова, или русский свет, нашла широкое распространение в Европе. Свеча Яблочкова, став первой серийно выпускаемой газоразрядной лампой, обладала двумя преимуществами по сравнению с лампами накаливания Эдисона: её свет был белым, а не желтоватым, а яркость выше при той же мощности. Поэтому она в течение многих лет использовалась в качестве лампы для кинопроекторов, пока не появились более совершенные источники света – ксеноновые и галогенные лампы. Свечу Яблочкова можно считать бабушкой всех современных газоразрядных ламп.

Ну а папой современных ламп дневного света (люминесцентных ламп) стал американский изобретатель П.Хьюит (Peter Cooper Hewitt), предложивший в 1903 г. в качестве источника света использовать электрический разряд между электродами в стеклянной лампе, заполненной парами ртути. Позже установили, что большая часть излучения дуговой лампы Хьюита – ультрафиолетовая, т.е. не видимая глазом человека. Чтобы сделать её видимой, предложили покрывать лампы Хьюита изнутри веществом люминофором, которое бы поглощало ультрафиолетовое излучение, а взамен излучало бы видимое. Сначала для этого выбрали бериллий, но он оказался очень токсичен (особенно для лёгких), а потом остановились на фосфоре. Покрытые изнутри фосфором лампы Хьюита получили название люминесцентных и стали широко использоваться в освещении с 1938 г. Основными преимуществами таких ламп по сравнению с лампами накаливания стали их гораздо больший световой выход (доля энергии, превращаемой в свет, достигала 40%) и увеличенный в 6 (!) раз рабочий ресурс. А это значит, что люминесцентные лампы долговечнее и экономичнее. К сожалению, у люминесцентных ламп, как и у всех газоразрядных, есть и недостатки – они дороже, их нельзя сделать очень маленькими, а в качестве источника электрического напряжения использовать низковольтные (1,5–12 В) батарейки или аккумуляторы.

Почему лампы дневного света так сложно устроены. Многие нелестно отзываются о лампах дневного света, считая, что мигание при включении и гудение при работе делают их использование дома весьма проблематичным. Однако это неверно, современные модели люминесцентных ламп лишены этих недостатков. Но сначала разберёмся, как работает обычная люминесцентная лампа, имеющая форму длинной цилиндрической трубки.

Как устроена люминесцентная лампа (слева) и как она подключается к сети (справа): 1 – вольфрамовые спирали; 2 – смесь паров ртути и аргона; 3 – люминофор (фосфо'р), покрывающий внутреннюю поверхность лампы; 4 – лампа; 5 – стартёр; 6 – дроссель

Как видно из рисунка, лампа дневного света, вообще говоря, не лампа, а электрический прибор, состоящий из собственно лампы 4, которая светится, когда внутри неё происходит электрический разряд, стартёра 5, разогревающего электроды лампы перед возникновением разряда, и дросселя 6, ограничивающего силу электрического тока через лампу. Чтобы в лампе возник электрический разряд, недостаточно приложить электрическое напряжение (220 В) между её электродами, т.к. газ внутри неё, состоящий из смеси аргона и паров ртути (1%), не является проводником электричества. Условием возникновения разряда является ионизация этого газа, т.е. расщепление части атомов газа на электроны и положительно заряженные ионы. Делается это с помощью стартёра, который на короткое время (1–2 с) включает нагрев металлических электродов (вольфрамовых спиралей), находящихся в противоположных частях лампы. Как только электрод нагревается, часть электронов испаряется с его поверхности и под действием электрического поля начинает двигаться к противоположному электроду, время от времени натыкаясь на атомы газа. Столкновение летящего электрона с нейтральным атомом газа вызывает ионизацию последнего, в результате чего количество свободных электрических зарядов в лампе увеличивается; в лампе возникает электрический разряд, а столкновение заряженных частиц с атомами ртути вызывает также ультрафиолетовое свечение. После возникновения электрического разряда подогревать электроды уже не нужно, т.к. электрический разряд сам поддерживает необходимый уровень ионизации.

Стартёры, хотя и могут являться самыми различными устройствами, представляют собой тумблер, на короткое время замыкающий два контакта. На рисунке показаны внешний вид (слева) и внутреннее устройство (справа) самого распространённого стартёра, которым оснащены большинство ламп дневного света. Как видно, это параллельное соединение неоновой лампочки 3 и электрического конденсатора 6. Левый электрод неоновой лампочки 4 изогнут в виде перевёрнутой буквы «U» и представляет собой биметаллическую пластинку, т.е. спай двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения. А это значит, что при нагревании этот электрод может разгибаться, принимая форму, близкую к «Г».

При включении лампы в электрическую сеть всё напряжение (220 В) прикладывается к неоновой лампочке, и т.к. расстояние между её электродами всего около 1 мм, то даже без предварительного нагрева электродов в ней возникает электрический разряд. Сразу после начала разряда левый электрод 4 неоновой лампочки, разогреваясь, начинает разгибаться и наконец касается правого электрода 5. Как только это происходит, неоновая лампочка гаснет, и начинается нагрев электродов лампы дневного света. Неоновая лампочка, электрический разряд в которой прекратился, остывает, а вместе с ней остывает и биметаллическая пластинка левого электрода 4. Через 1–2 с контакт между электродами 4 и 5 исчезает, и напряжение электрической сети (220 В) опять прикладывается к люминесцентной лампе. Но сейчас в лампе дневного света уже разогреты электроды, и в ней возникает электрический разряд. Электрический конденсатор 6, замыкающий контакты стартёра, уменьшает электромагнитные помехи, возникающие при размыкании и замыкании электродов неоновой лампочки.

Внешний вид (слева) и внутреннее устройство (справа) стартёра люминесцентной лампы: 1 – пластмассовый кожух; 2 – электрические контакты стартёра; 3 – неоновая лампочка; 4 – электрод неоновой лампочки; изогнутый в виде перевёрнутой буквы «U» (показан в двух крайних положениях); 5 – другой электрод неоновой лампочки; 6 – электрический конденсатор

Если бы в лампе дневного света не было дросселя (электрического сопротивления переменному току), то ток через неё мог бы превысить допустимый предел, и она бы мгновенно перегорела. Поэтому использовать люминесцентные лампы без дросселей нельзя. Старые модели дросселей представляли собой половину электрического трансформатора (катушка провода с металлическим сердечником), и пропускание через них переменного тока частотой 50 Гц вызывало жужжание или гул. Новые модели ламп дневного света оснащены электронными ограничителями тока и поэтому бесшумны.

При включении люминесцентные лампы, как правило, несколько раз мигают. Связано это может быть: с низкой температурой окружающей среды, когда одиночного прогрева электродов лампы бывает недостаточно для инициации электрического разряда; с плохим состоянием электродов лампы, когда их нагрев не приводит к достаточному испарению электронов из них, а также с неисправностью стартёра, когда, например, электроды неоновой лампочки замыкаются на очень короткое время, недостаточное для разогрева электродов лампы дневного света.

И всё-таки, несмотря на кажущуюся сложность работы люминесцентных ламп и их относительную дороговизну по сравнению с лампами накаливания, им следует отдать предпочтение, т.к. такие лампы позволяют в 3–4 раза снизить энергозатраты на освещение. Как показывает простой расчёт, эксплуатация ламп, обладающих в 6 раз большим рабочим ресурсом и гораздо меньшими энергозатратами, быстро окупает расходы на их приобретение.

Компактные люминесцентные лампы – рекомендация специалистов. Человека очень тяжело убедить сменить освещение в своём доме со старого, на лампах накаливания, на новое – на люминесцентных лампах, даже если они не мигают и не гудят. Ведь нужно выбросить и купить новые люстры, бра и настольные лампы, а все эти осветительные приборы содержат так называемый патрон, который годится только для ламп накаливания. Казалось бы, модернизация освещения требует очень больших затрат и времени, и денег. Однако есть выход!

Внешний вид нескольких компактных люминесцентных ламп (слева) и внутреннее устройство (справа) одной из таких ламп, включающее в себя саму лампу 1, электронный пускорегулятор 2 и винтовой контакт 3 – такой же, как и у обычных ламп накаливания

В начале 1980-х гг. были разработаны компактные люминесцентные лампы, обладающие всеми достоинствами ламп дневного света, но устроенные так, что их можно ввинчивать в патрон для обычной лампы накаливания. Как и многие современные модели ламп дневного света, эти лампы при работе не гудят и не мерцают, т.к. вместо стартёра и дросселя они имеют электронный пускорегулятор, обеспечивающий бесшумную и стабильную работу. Очевидно, что использование компактных люминесцентных ламп позволяет значительно снизить материальные затраты при переходе на энергосберегающие технологии при освещении дома, в котором мы живём.

Светодиоды – лампы будущего. Незаметно для многих из нас происходят, можно сказать, революционные события – «к власти» приходят полупроводниковые осветительные устройства, светодиоды. Раньше светодиоды использовали только в качестве зелёных и красных индикаторных лампочек, дающих возможность следить за работой различных электронных устройств. Сейчас же они начинают конкурировать с лампами накаливания и люминесцентными лампами. Происходит это потому, что светодиоды гораздо более эффективно преобразуют электрическую энергию в свет. Схема, иллюстрирующая строение светодиода и его работу, показана на рисунке. Так, например, уже сейчас светоотдача (отношение силы света к расходуемой энергии) диодов, излучающих красный свет, в 10 раз превышает таковую для ламп накаливания. То, что свет, испускаемый диодами, всегда окрашен, не означает, что светодиоды не могут стать источниками белого света. Составляя источник света из нескольких светодиодов, испускающих красный, зелёный и синий свет, можно получить любые оттенки белого, как угодно близко приближая его к солнечному.

Светодиод в разрезе (слева) и структура полупроводникового чипа, излучающего красный свет (справа): 1 – металлические контакты для подключения к источнику постоянного тока; 2 – прозрачный кожух; 3 – красное излучение; 4 – полупроводниковый чип; 5 – параболический отражатель, собирающий свет в параллельный пучок; 6 – слой, обладающий дырочной проводимостью (проводимостью p-типа); 7 – активный слой, химический состав которого определяет параметры излучения; 8 – слой, обладающий электронной проводимостью (проводимостью n-типа); 9 – электропроводящая подложка чипа. Электроны обозначены чёрными точками, а дырки – белыми. Электрическое напряжение, приложенное между n- и p-слоями полупроводникового чипа, приводит к движению электронов (отрицательных зарядов) из n-слоя 8 в активный слой 7. Одновременно туда же под действием приложенного напряжения движутся дырки (положительные заряды) из p-слоя 6. В активном слое 7 дырки и электроны встречаются и аннигилируют (уничтожают друг друга), при этом часть энергии выделяется в виде света (волнистые линии)

Светодиоды уже стали вытеснять лампы накаливания из автомобильных осветительных устройств. Так, например, более половины выпускаемых в Европе автомашин используют красные светодиоды в качестве «высокого» стоп-сигнала, а также указателей поворота и габаритных огней. Увеличивается с каждым годом процент светофоров, работающих на светодиодах, а установка каждого нового светодиодного светофора позволяет в 5 раз снизить энергозатраты по сравнению со старыми светофорами, где белый свет, получаемый от ламп накаливания, проходя через фильтры, превращается в красный, жёлтый и зелёный.

В отличие от хрупких ламп накаливания и люминесцентных ламп светодиоды очень прочны механически, а срок их эксплуатации может достигать 100 тысяч часов. Единственные недостатки светодиодных осветительных устройств – они дороже, да и светят не так ярко, как хотелось бы. Но оба этих недостатка можно объяснить «молодостью» светодиодных ламп, ведь Нобелевскую премию одному из их «родителей», российскому физику Жоресу Алфёрову, дали только в 2000 г.! Об интенсивности работ в области светодиодного освещения говорит тот факт, что за последние 10 лет светоотдача диодных ламп выросла в 10 раз, а это значит, что, если научно-исследовательские работы будут продолжаться такими же темпами, то уже через несколько лет их светоотдача превысит даже показатели лучших флюоресцентных ламп. Ну а дальше дело за производством и рекламой, и, действуя сообща, они в конце концов убедят нас сделать выбор в пользу светодиодов, которым, как считает Жорес Иванович Алфёров, принадлежит будущее.

Продолжение в №17