У меня на канале уже был похожий материал на тему "Почему электроны не кончаются, а провода не портятся" и он вызвал большой интерес. Многие читатели в комментариях задавались схожим вопросом - почему же тогда лампочка накаливания "не кончается"? Там же термоэлектронная эмиссия и электроны буквально должны разлетаться во все стороны от нити накаливания при нагреве!
Что же, это действительно интересный вопрос! Давайте попробуем вместе найти на него ответ. Ведь в случае замкнутой цепи худо-бедно мы пришли к выводы, что электроны просто не покидают эту цепь, а тут они летают по всей колбе.
Как светит лампочка накаливания?
Лампочка накаливания - штука довольно древняя. Физический принцип её работы очень простой. Есть закон Джоуля-Ленца, который описывает, как нагревается проводник при определенных характеристиках тока и параметрах самого проводника. Зависимость там простая - квадрат тока, умноженный на сопротивление и время работы будет равно количеству выделившийся теплоты.
Нить накаливания в лампочке подобрана таким образом, чтобы температура не достигала температуры плавления, но выходила в зону каления материала. В качестве материала для изготовления, кстати говоря, используется вольфрам. Он тугоплавкий и может светиться ярче других. Ну а сама колба лампочки нужна для того, чтобы сохранять вокруг нити защитную атмосферу и не давать ей активно окисляться при высоких температурах. Ведь окисление приведет к разрушению. Вы наверняка видели лампочки такой конструкции, где внутри вдруг всё затягивает белым дымом. Это значит, что колба разгерметизировалась, внутрь попал кислород и образовался белый оксид вольфрама.
В итоге свечение появляется в результате того же, из-за чего появилось бы свечение и вокруг раскалённого в костре ножа.
Металл нагревается. Имеющаяся микроструктура, нашпигованная электронным газом, получает дополнительную энергию. Частицы начинают перемещаться всё активнее и активнее и когда температура приближается к температуре плавления, металл сам начинает испускать поток света с определёнными характеристиками.
Свечение - это излишек энергии, которую металл испускает в виде фотонов (квантов) электромагнитного излучения. Раньше этот поток даже имел отдельное название - термионы.
Чуть температура поднимется выше этой отметки и излишки энергии пойдут уже на разрушение кристаллической решетки и плавление металла. И продолжение свечения конечно же.
Что происходит на уровне физики частиц?
В обозначенной выше публикации про вырождение проводников мы пришли к выводу, что процесс прохождения тока через проводник, в общем-то, не оказывает ощутимого влияния на этот проводник и электроны остаются в замкнутом цикле.
Теперь попробуем расписать модель того, что происходит в случае лампочки.
Итак, мы рассматриваем ту же самую замкнутую цепь, из которой электроны никуда не денутся. По современным представлениям электроны вообще остаются на характерных им позициях, а при прохождении тока через проводник обмениваются только импульсами. При этом сами не перемещаются и никакой рекомбинации тут нет. Всё это конечно здорово, но если добавить сюда последние работы, описывающие электронное облако, как вероятностное положение электрона, получится ещё интереснее.
Поэтому, сейчас логично использовать школьное описание, где электронный газ, в общем-то, и является носителем электрического тока в проводнике (в случае металла само собой).
Электронному газу в металле передаётся некоторая энергия от источника тока. При интенсивных движениях электронов появляется механическое взаимодействие, которое характеризуется внутренним трением и как раз-таки и становится причиной электрического сопротивления. Току нужно проталкиваться через дебри структуры и когда он это делает, выделяется тепловая энергия вследствие повышения внутренней энергии частиц проводника.
Когда выделяется тепловая энергия и тело нагревается, то начинается совсем другая история. Структура металла совместно с электронным газом начинает испускать фотоны в следствие повышения своей энергии. Это излишки энергии. Или термионы, которые сейчас, конечно же, так не называются.
Получается, лампочка не может кончиться?
На данном этапе вы уже осознали, что свечение лампочки накаливания или свечение раскаленного металла - это не те "электроны", которые "зашли" в проводник, а потом "вышли" через поверхность в виде фотонов. Это совсем иной физический процесс. Те электроны были только инициатором этого процесса и остались в замкнутой цепи.
Вот только мы говорим про термоэлектронную эмиссию. Видим вроде как фотоны, а лететь должны ещё и электроны, обладающие массой (в отличие от фотонов).
Так оно и есть. Летят и фотоны, и электроны. Наблюдаем мы фотоны. А термоэлектронная эмиссия заключается в том, что некоторые из электронов проводника могут преодолевать задерживающий электрический потенциал на границе металла и выходить наружу. В окружающем вакууме колбы существует электрическое поле, направленное стандартным для замкнутой цепи образом. Оно будет увлекать вышедшие электроны, а через вакуум потечёт электрический ток. Так вышедшие электроны вернутся обратно в цепь. Потери их не будет, а если и будет, то незначительная.
Структура металла в такой форме отдает излишки полученной внутренней энергии в окружающую среду.
Процесс свечения никак не связан с расходованием электронного газа и потерей электронов, а значит лампочка не может и закончиться по такой причине.
Лампочка является этаким конвертером, который вследствие появления тепловой энергии, превращает её излишки в свечение и будоражит электроны у границы. "Основной" электрический ток же идёт "своей обычной дорогой".
Сравнивать светящуюся лампочку уместно с раскаленным железом. Может ли кусок железа кончится из-за свечения от нагрева? Нет, не может. Деградация свойств от постоянного нагрева-охлаждения будет связана с иными процессами. Механические свойства и правда будут деградировать, но те фотоны, которые отлетели от образца, не являются частью структуры этого образца. Просто структура металла вибрирует и испускает электромагнитные волны с характеристиками видимого света определённого цвета.
Причем, спектр от лампы накаливания непрерывный, а не дискретный. Это указывает на то, что свечение не связано с превращениями в самом атоме, где обязательно было бы квантование спектра на порции.
Тогда почему лампочка перегорает?
Перегорает же лампочка по более банальной и материаловедческой причине. Правда это не единственное объяснение, но все варианты сведутся примерно к этому. Зато описываемая ниже специфика прекрасно объясняет, из-за чего лампочки перегорают преимущественно при включении.
Если во время фазы нагрева спираль лампочки имеет механические дефекты, будь-то микротрещины или зазубрины, то структура провода в этих точках уже не будет сплошной. Атомы материала здесь не будут удерживаться достаточным образом. Некоторое их количество "оторвётся" от быстрого нагрева. Поспособствует этому несколько причин: расширение при нагреве и внутренние вибрации структуры. В итоге в точке существования такого дефекта металл станет тоньше.
И вновь вспомним закон Джоуля-Ленца. Тоньше металл - выше сопротивление - больше нагрев. Причем, нагрев изначально точечный. На следующем цикле включения всё повторится. Так постепенно проблемное место просто или развалится, или оплавится. Перед оплавлением, кстати говоря, лампочка будет светить намного ярче и наверняка вы такое видели на практике.
Ну и правы будут те, кто всё-таки продолжит настаивать на потере некоторого количества электронов. Вот только по такой логике нужно ещё учитывать и испарение твёрдых тел :) Столь же незначителен и этот эффект...
Пожалуйста, подпишитесь, лайкните материал и обязательно возвращайтесь за новым контентом на проект! Возврат подписчика сейчас очень важен для существования канала!
Не забывайте читать новые статьи на сайте проекта
Присоединяйтесь к Телеге проекта!
Ещё несколько интересных моих статей: