Írta: Millner Tivadar
A kémia és vívmányai, II. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940.
Ha egy izzólámpát bekapcsolunk, ma is azt mondjuk, hogy lámpát gyújtunk, pedig jól tudjuk, hogy a világító izzólámpában semmi sem ég. Szavunk járásában annak az emléke él, hogy mesterséges fényt, világítást, ôsidôk óta kizáróan égési folyamatok szolgáltattak az embernek. A láng, aminek a természetét Faraday, a világhírû angol természetkutató derítette fél, égési, tehát kémiai folyamatok kíséreteképen sugároz fényt és ezért úgy tûnik, hogy alapvetô kapcsolat van a mesterséges világítás és a kémiai folyamatok között. Ez azonban nincsen így. A fény termelése a lángokban nem jellegzetesen kémiai folyamat. A gyantás fenyôforgács, a gyertya, a petróleumlámpa, vagy világítógáz lángjának fényét nem az égési folyamatok sugározzák. A hôtermelô kémiai változások csak arról gondoskodnak, hogy a lángban a hômérséklet magasfokú legyen: a legkisebb gyertyalángnak is van olyan része, amelynek hômérséklete 1600 oC. A láng fénye a benne lebegô és magas hômérsékleten izzó szilárd szénrészecskéktôl származik.
Az elektromos izzólámpában is izzó szilárd test világít: az izzószál. Égési folyamatok nem folynak ugyan benne, de elkészítésének és mûködésének problémái jórészt kémiai természetûek.
A) A sugárzás törvényszerûségei és az izzótestek gazdaságossága (ökonómiája). Minden magas hômérsékletre hevített, át nem látszó test világít, azaz fényt sugároz. Nevezetes azonban, hogy nem csupán fényt sugároz: a látható fényt mindig kíséri szemmel nem érzékelhetô sugárzás is. Az izzó szilárd testek összes kisugárzott energiája – tehát a látható sugárzás éppen úgy, mint a nem látható – elektromágneses hullámok alakjában terjed szét a térben. Azokat az elektromágneses hullámokat, amelyeknek hullámhossza 0,4 mm és 0,8 mm közé esik, szemünk látja, azaz fénynek érzékeli. Például a közel 0,4 mm hullámhosszú fényt kéknek, ibolyaszínûnek, a közel 0,8 mm hullámhosszú fényt vörösnek látjuk. De már az ibolyaszínû fénynél is rövidebb hullámú ún. ultraibolya sugárzás és a vörös fénynél is hosszabb hullámú, ún. infravörös vagy hôsugárzás, nem kelt az ember szemében fényérzetet. A napnak, ennek a kb. 5700 oC hômérsékletû hatalmas égi izzótestnek a fénysugarait is bôségesen kíséri nem látható sugárzás. Észrevesszük ezt arról, hogy ultraibolya sugarai bôrünket barnára égetik, hôsugarai pedig hevítenek, ha a verô napfényre állunk.
Valamennyien tapasztaltuk már, hogy annál fényesebben világít egy szilárd test, minél magasabb hômérsékletre hevítjük. A kisugárzott energiának a hômérséklettel való változását beható kísérleti és elméleti vizsgálatok alapján pontosan ismerjük, s azt is tudjuk, hogy mennyi ebbôl a látható fény. Így például az öszszes kisugárzott energiának 1700 oC-on csupán kb. 1,0%-a, 2700 oC-on már kb. 9,3%-a és 3700 oC-on kb. 22,8%-a látható fény. Szembetûnô, hogy az összes kisugárzott energiának még az egészen magas hômérsékleteken is csak kisebb hányada látható fény. A látható sugárzás alacsonyabb hômérsékleten túlnyomórészt vörös fény, magasabb hômérsékleten egyre számottevôbb része a kék- és ibolyaszínû fény is. Ezért látszanak a hevített testek alacsonyabb hômérsékleten vörösen, magasabb hômérsékleten fehérebben izzóknak.
Szilárd testet csak úgy lehet állandóan izzásban tartani, ha azt az energiamennyiséget, amelyet hôelvezetéssel és kisugárzással veszít, hevítéssel állandóan pótoljuk. Ha szilárd testet vákuumtérben izzítunk és ily módon megakadályozzuk, hogy környezete hôelvezetéssel energiát vonjon el tôle, akkor izzásban tartásához állandóan csak éppen annyi hevítôenergiára van szükség, mint amennyit – látható és nem látható sugárzás alakjában – kisugároz. Ha tehát szilárd testet világítás céljából izzítunk, célszerû egyrészt jó hôszigetelésérôl gondoskodni, másrészt és fôképen minél magasabb hômérsékletre kell hevíteni, nemcsak azért, hogy minél több és minél fehérebb fényt sugározzon, hanem ezenfelül még azért is, hogy a hevítésére fordított energiából az elkerülhetetlenül nagymennyiségû hôsugárzás mellett minél nagyobb részt fordítson fénytermelésre és így minél gazdaságosabban világítson.
Ha tudjuk egy világító izzótestrôl, hogy a hevítésére fordított energiának hányadrészét sugározza ki látható fény alakjában, ismerjük akkor már a gazdaságosságát? Úgy tûnik, hogy igen. Az emberi szem azonban egy és ugyanannyi fényenergiát zöld színben (0,55 mm hullámhosszon) sokkal több fénynek érzékel, mint például kék vagy vörös színben. Ezért izzó fényforrások gazdaságosságát (ökonómiáját) nem a másodpercenként izzításukra fordított hevítôenergia – pl. 1 watt – fejében másodpercenként kisugárzott fényenergia alapján, hanem ennek emberi szemmel érzékelhetô mértéke, a fényárama alapján ítéljük meg.
Mi a fényáram mértékegysége? Egy, a fényerôsség alapegységébôl leszármaztatott fényáramegység: a lumen (Im), vagy ennek tízszerese, a dekalumen (dlm).
A fényerôsségnek nemzetközi egysége a gyertyafény (neue Kerze, new candle, 1937); ez annak a fényerôsségnek 1/60-ad része, amellyel az ún. abszolút fekete test 1 cm2-nyi felülete az olvadó platina hômérsékletén (1771 oC) a rá merôleges irányban világít. Ez az egyértelmûen megszabott egység nem sokkal tér el a régebben használt különbözô gyertyafényegységektôl. – A lumen annak az egész fényáramnak az 1/4p (=1/12,57) része, amelyet egy minden irányban 1 gyertyafényerôsségû, pontszerû izzótest kisugároz.
Valamely fényforrás annál gazdaságosabb, minél több lumen fényáramot sugároz a hevítésére fordított wattonként.
A sugárzásnak és szemünk színérzékenységének törvényeibôl kiszámítható, hogy számunkra az izzó szilárd testek (pontosabban az abszolút fekete test) gazdaságossága egészen 6200 oC-ig fokozódik, ezen túl már csökken. Ezen a legkedvezôbb hômérsékleten, amelyen az összes kisugárzott energiának kb. egyharmad része fényenergia, a gazdaságosság kb. 96 lumen wattonként (96 lm/w).
Azok az izzószálanyagok, amelyek a világítás fejlôdése folyamán az elektromos izzólámpákban tényleg használatba kerültek, megközelítôen sem hevíthetôk ilyen magas hômérsékletre. A velük készült izzólámpák gazdaságossága éppen ezért ennél az optimális értéknél sokkal kisebb, amint az az alábbi táblázatból is látható; gyakorlati szempontból azonban mégis nagyon jelentékeny. Bár az izzólámpák a hevítôenergiának csupán 1–5%-át fordítják fénytermelésre; mégis már a 2,7 lm/w gazdaságosságú szénszálas izzólámpa is az egész világon elterjedt. A 10–20 lm/w gazdaságosságú wolfrámizzólámpa pedig – a többinél jóval magasabb hômérsékletre tartósan hevíthetô izzószála révén – egyedülálló helyet foglal el ma a világítóeszközök között. A világítás költsége az elmúlt 100 esztendôben jórészt éppen a wolfrámizzólámpa jó gazdaságossága következtében egyhuszadrészre csökkent. Így érthetô, hogy ma a világ wolfrám-izzólámpatermelése évi 1300 millió darabnál is több. Csaknem akkora szám ez, mint az egész föld népességéé.
Különbözô izzószálanyaggal készült izzólámpák néhány jellemzô adata
| Az izzószál anyaga | A lámpatér | Olvadás-
pont |
Az izzószál
hômér- séklete |
A használati
feszültség |
Az energia-
fogyasztás |
Fényáram | Gazdasá-
gosság |
| oC | oC | V | w | lm | lm/w | ||
| Szén | vákuum | 3800 | 1850 | 220 | 55 | 145 | 2,7 |
| Mettall. szén | vákuum | 3800 | 1930 | 110 | 35 | 145 | 4,2 |
| Nernst-szál | levegõ | 2130 | 110 | 27 | 145 | 5,4 | |
| Ozmium | vákuum | 2700 | 2000 | 37 | 37 | 225 | 6,1 |
| Tantál | vákuum | 2900 | 1970 | 110 | 25 | 145 | 5,8 |
| Wolfrám | vákuum | 3380 | 2130 | 110 | 16 | 145 | 9,1 |
| Wolfrám | gáztöltés | 3380 | 2500 | 110 | 500 | 9650 | 19,3 |
Az izzólámpa, és vele együtt az egyszerû és kényelmes elektromos világítás sorsát elsôsorban a wolfrámizzószál kivételes hôállósága döntötte el. Fôképen ebbôl ered kitûnô gazdaságossága és az emberi szemnek legmegfelelôbb fehér fénye.
B) Az izzótestek párolgásának szerepe az izzólámpa fejlôdésében. Vajjon csupán az olvadáspont döntô abban a kérdésben, hogy valamely anyag alkalmasabb-e izzószálnak, mint egy másik? Nem.
Mert igaz ugyan, hogy azt az izzószálat lehet a meglágyulás és megolvadás veszélye nélkül a legmagasabb hômérsékletre hevíteni, amelyiknek az olvadáspontja a legmagasabb, de a jó izzólámpától nemcsak az ezáltal elérhetô jó gazdaságosságot kívánjuk meg, hanem azt is, hogy izzószála a magas használati hômérsékleten egy bizonyos, gyakorlatilag legelônyösebb élettartamot, például 1000 órát, elérjen. Ezáltal lényegében azt kívánjuk, hogy az izzószál használat közben csak igen lassan fogyjon, azaz lassan párologjon. Izzószál-hômérsékleten ugyanis minden anyag észrevehetôen párolog; elárulja ezt többek között az izzószálak fokozatos vékonyodása és az izzólámpák üvegbúráján használat közben lerakódó sötét verôdék.
Valamennyi fém közül a wolfrám párolog magas hômérsékleten leglassabban, ezért wolfrámból készíthetôk legelônyösebben magas hômérsékletre hevíthetô, tehát gazdaságos és mégis elég hosszú élettartamú izzószálak.
Éppen azért, mert használat közben minden izzószálanyag észrevehetôen párolog, minden elektromos izzólámpa élettartama erôsen csökken, ha az izzító áramforrás feszültségét és ezzel az izzószál hômérsékletét fokozzuk. Az 30. képen láthatjuk a wolfrámszálas izzólámpák élettartamának (és fényáramának) változását, ha a lámpát az elôírt (100%) feszültségnél kisebb vagy nagyobb feszültségen égetjük. Látjuk, hogy a feszültségnek például 5%-os növekedése az élettartamot a felére csökkenti.
30. kép. A wolfrámizzólámpák
élettartamának és fényáramának
változása a feszültség változásával
C) Az izzólámpa fejlôdése.A szénszálas lámpa. Az 1840-es évektôl kezdve többen készítettek levegôn izzó platinaszállal kezdetleges izzólámpát. Köztük maga Edison is, azonban minden gyakorlati eredmény nélkül.
Az elsô szénszálas lámpákat a német Göbel készítette 1854-ben, 25 évvel Edison elsô szénszálas lámpái elôtt. Fonaluk elszenesített bambuszrostból készült és vákuumban izzott. Használatba nem kerültek, mert abban az idôben még nem voltak gazdaságos áramforrások.
Az elektromos áramszolgáltatás elterjedésével 1879-ben készítette az amerikai Edison az elsô, általános használatban is bevált szénszálas vákuumizzólámpát (31. kép). A XX. század elejéig ennek fejlettebb alakja volt az egyedül számottevô elektromos izzólámpa, melynek gazdaságossága kb. 3 lm/w volt. A növényi rostból készült izzószálat csakhamar felváltotta az elszenesített mûselyemszál, melyet különleges eljárással tettek tartóssá.
31. kép. Edison szénszálas izzólámpája
1879-bõl
A szénszálas lámpák élettartama rendszerint
igen hosszú volt. Bizonyára sokan emlékezünk
még egy-egy régi szénszálas lámpára,
amelyet "sohasem kellett cserélni". Persze emlékezünk
arra is, hogy ezek "égtek" ugyan, de nem világítottak.
Egy szénszálas izzólámpa hasznos élettartamának
már régen azt az égési idôt tekintették,
amely alatt fényerôssége – fôleg az üvegbúra
feketedése folytán 20%-kal csökkent. Ez pedig nem volt
több 400-600 óránál. Miért éppen
ez a hasznos élettartam? Mert ha a lámpát erôsen
lecsökkent fényerôssége, de alig változó
áramfogyasztása mellett újabb 400-600 óráig
használnók, az elmaradó fénynek az áramköltsége
– tehát a kidobott pénz – éppen annyi volna, mint
egy újabb jó lámpa ára. Gazdaságosabb
tehát 20%
fénycsökkenés után egy újjal felcserélni.
– Áll ez bizonyos mértékben ma is.
Malignani 1894-ben rájött arra, hogy azokat a káros gázmaradékokat, amelyek a lámpában evakuálás után még visszamaradnak és a szénszálat használat közben fôleg az árambevezetôk közelében gyorsan vékonyítják, igen tökéletesen meg lehet kötni, ha az izzó szálú lámpába lezárás közben kismennyiségû foszfort párologtatunk. Megfigyelte, hogy ezáltal megakadályozható a szálvégek "porlódása" és lényegesen csökkenthetô a lámpabúra feketedése. A vákuum javításának és a feketedés csökkentésének ezt az alapjában kémiai mesterfogását – kémiai anyagok, "getter"-ek adagolását, a getterezést – az izzólámpaipar, kissé módosított formában, azóta is használja.
A Nernst-lámpa. Nernst 1897-ben készítette az elsô róla elnevezett izzólámpákat. Ezekben nem fémszál, hanem egy 85% zirkoniumdioxidból és 15% yttriumoxidból álló pálcika vagy csô világít.
A Nernst-izzótest hidegen nem vezet áramot. Ezért a lámpa bekapcsolásakor egy platina fûtôtest elôbb (mintegy 20 másodperc alatt) 1300 oC-ra hevíti és ezáltal vezetôvé teszi; a lámpafejben elhelyezett elektromágnes ezután a fûtôtestet kikapcsolja és az áramot az izzótesten át vezeti. A kb. 2130 oC-on világító izzótest annál jobban vezeti az áramot, minél jobban izzik: ezért egy áramkorlátozó ellenállás (kisnyomású hidrogéngázban izzó vasszál) óvja a hálózati feszültség ingadozásaitól, amelyek különben túlhevítéssel tönkretennék. Egy Nernst-lámpában (32. kép) ilymódon valóságos kis mûhely van elrejtve. A fémszálas izzólámpák rohamos elterjedése folytán a Nernst-lámpák nagyobb gyakorlati szerephez nem jutottak.
32. kép. Nernst-lámpa lecsavart üvegburával
A fémszálas izzólámpák. 1900 körül készültek az elsô gazdaságos (6,1 lm/w) fémszálas vákuumizzólámpák. Izzószáluk anyaga a 2700 oC-on olvadó ozmium volt. Az ozmiumlámpa az izzószál törékenysége miatt csak néhány évig volt forgalomban.
Az 1905-ben használatba került 16-100 gyertyafényerôsségû tantállámpák nem voltak ugyan gazdaságosabbak, mint az ozmiumlámpák (5,8 lm/w), de a tantáldrót szilárdsága még hevítés után is olyan kedvezô volt, mint egy hasonló méretû vasdróté. Így a tantállámpa nem volt kényes rázkódással szemben. Ma is készítenek – pl. adócsövek, elektroncsövek stb. céljaira – a 2900 oC-on olvadó tantálfémbôl lemezeket és drótokat.
D) A wolfrámizzólámpák. Az elsô wolfrámszálas vákuumizzólámpák (7-8 lm/w gazdaságossággal) 1905-ben Magyarországon készültek Just és Hanaman magyar szabadalma szerint. A wolfrámdrótos izzólámpa már eredeti alakjában is számottevô elterjedésre tett szert fôleg szép fehér fénye és gazdaságos volta folytán, döntô sikert azonban csak akkor aratott, mikor az elsô lámpák hibáit (fôleg a szál egyenetlenségét és törékenységét) 1908-ban Coolidge wolfrámdrótgyártási eljárása kiküszöbölte és lehetôvé tette húzott wolfrámdrótok készítését. Ma szinte kivétel nélkül minden wolfrámdrót ezzel az eljárással készül.
A wolfrám a természetben eléggé ritkán elôforduló elem. Érceinek legjelentôsebb lelôterülete a Maláj-félszigeten, Kínán és Japánon átvonuló Indo-Maláj-hegylánc. Burma és Kína termeli ma a világ évi 15000 tonnára tehetô wolfrámércszükségletének a kétharmad részét. Ezen a területen fôleg wolframit (FeWO4·MnWO4) fordul elô. Az izzólámpa-iparban inkább keresett scheelit (CaWO4) nagyrészt ausztráliai eredetû.
A termelt wolfrámércnek 95-98%-át az acélipar használja fel. 100 millió izzólámpa szükséglete nem több 3000-4000 kg wolfrámfémnél, azaz kb. 15 g tonna ércnél.
A wolfrámizzószál gyártásánál válogatott, tiszta ércekbôl elôször kémiailag igen tiszta, finomszemcséjû wolfrámtrioxidot (WO3) vagy wolfrámsavat (WO3·H2O) állítanak elô. A feltárás scheelitnél forró sósavval történik:
CaWO4 + 2HCl = WO3·H2O + CaCl2
és nyers wolfrámsavat ad; wolframitnál forró lúggal végezhetô:
FeWO4·MnWO4 + 4NaOH = 2Na2WO4 + Fe(OH)2 + Mn(OH)2
és nátriumwolframátoldathoz vezet, amelybôl ugyancsak nyers wolfrámsav nyerhetô. A nyers wolfrámsavat tisztítják, majd olyan anyagokat (pl. thoriumnitrátot, alkáliszilikátokát, alumínium- és vasvegyületeket) kevernek hozzá, melyek a készítendô izzószál kellô kristályszerkezetét és szilárdságát elôidézik.
Az így "preparált" savat kb. 850 oC-ra hevített fémcsöves kemencében, áramló hidrogéngázzal fémporrá redukálják
A wolfrámfémporból megolvasztás útján nem készíthetünk tömör fémtestet, mert megfelelô, nehezen olvadó tégelyanyagot nem ismerünk. Ezért a wolfrámfémporból hatalmas hídraulikus sajtókon 100-200 tonna nyomóerôvel 100-1000 g súlyú rudakat sajtolnak és ezeket – nehogy oxidálódjanak – hidrogéngázzal öblített burák alatt, rajtuk keresztülvezetett 2000-10000 amper erôsségû árammal félórán át 3000 oC-ra hevítik. Ez alatt a 8 fajsúlyú, krétaszerûen laza összefüggésû testek 17-18 fajsúlyú, csengô fémrudakká zsugorodnak. Kissé még ezek a fémrudak is porózusak; a tömör, 3380 oC-on megolvadt wolfrámfém fajsúlya 19,3· A zsugorított rudak – fôként a preparáló anyagoktól függôen – vagy apró, alig 1/100 mm-es, vagy pedig nagy, 5-20 mm-es fémkristályokból állanak.
A wolfrámrudak közönséges hômérsékleten ridegek és kemények, magas hômérsékleten azonban alakíthatók, kovácsolhatók. A ma általánosan használt Coolidge-eljárásnál ezért a wolfrámrudakat 1500 oC-ra felhevítve tolják át egy különleges kovácsológép kalapálószerszámai között, amelyek az izzó rúdra, körülötte keringve, másodpercenként 80-100 ütést mérnek. Így a szögletes rudak egyre vékonyabb hengeres szálakká kovácsolhatók. Eközben fémkristályaik fokozatosan megnyúlnak. Az így kialakuló rostos anyagszerkezet folytán azután egy, például 1,5 mm vastag wolfrámszálat – ha felületét grafittal kenik – már 800 oC-on lehet wolfrámkarbidhúzó-kövekkel tovább vékonyítani. A 0,2 mm-nél vékonyabb drótok pedig már alig hevítve is percenként 30-100 m-es sebességgel húzhatók, gondosan válogatott gyémántkövek pontos furatain. Egy nagyobb izzólámpagyár dróthúzóüzemében a gyémántkövek száma eléri a 10000-t is. A még igen gyakran hásznált 12 mm átmérôjû wolfrámdrót vékonyabb a legfinomabb hajszálnál; 1/2 km hosszú darabjának súlya csupán 1 g.
A vékony, rostos szerkezetû húzott wolfrámdrót bámulatosan hajlékony és szakítószilárdsága (400 kg/mm2) a legnagyobb az összes ismert testeké között. Így érthetô, hogy amikor belôle a csavar alakú izzótestek, a spirálisok készülnek, a spiráliskészítô gépek percenként 3000–5000 fordulattal csavarhatják a wolfrámdrótot a nála alig vastagabb réz-, vas-, vagy molybdénmagdrótra.
A spiráliskészítés után a felcsavart wolframdrót rugalmasságát 1000–1600 oC-ig emelkedô rövid hevítéssel nagyrészt megszüntetik, azért, hogy ha azután például a vasdrótot sósavval; vagy a molybdéndrótot salétromsav és kénsav elegyével a spirális belsejébôl kioldják, a spirálisok alakjukat ne változtassák.
Ez az izzítás még alig változtat valamit a wolfrámdrót rostos szerkezetén. Eltûnik azonban a rostos szerkezet, ha az izzószálat a használati hômérsékletre; 2100-2500 oC-ra hevítjük. Ekkor helyette új, ép kristályokból álló szerkezet alakul ki. Ez a folyamat - a rekrisztallizálás - dönti el elsôsorban a jó minôségû izzólámpa egyik legfontosabb kérdését, azt, hogy milyen mértékben tartják meg a spirálisok az állandó használat alatt alakjukat és ezzel együtt megszabott gazdaságosságukat, élettartamukat stb. Ennek a folyamatnak az irányítására elegyítettek már régtôl fogva és elegyítenek ma is a wolfrámsavhoz idegen hatóanyagokat. Ez idegen anyagok hatására különféle kristályszerkezet alakulhat ki.
Így pl. Pácz eljárása szerint alkáliszilikátokkal készült vékony izzószálak rekrisztallizálásánál az egész drótkeresztmetszetet kitöltô, egymással jól kapcsolódó, hosszú kristályok keletkeznek. Az ilyen izzótestek alakjának állandósága és a lámpák szilárdsága egyszeres spirálisoknál jó, de például dupla spirálisoknál már nem kielégítô.
37. kép. Alumínium- és vasvegyületekkel
készült
nagykristályos wolfrámrúd
Az alumínium- és vasvegyületek hatására a zsugorított rúdban is (37. kép), meg a rekrisztallizált izzótestekben is nagy kristályok keletkeznek. A rekrisztallizált spirálisok egy-egy kristálya 10-100 menetet is elfoglal és kitûnô szilárdsága mellett olyan képlékeny, hogy a már kristályos spirálisok – próbaképen – ismét egyenes szálakká húzhatók. Az ilyen izzótestek szilárdsága rázkódással szemben igen jó, az alkáliszilikátokkal készült izzószálak szilárdságát 9-10-szeresen felülmúlja. Alumínium és vasvegyületekkel Tury és Millner eljárása szerint készült izzószálakat tömeggyártásban 1931-ben alkalmaztak elôször és növekvô mértékben – például duplas pirális lámpák készítésénél stb. – ma is használnak.