# Сапфировой лампочке посвящается

В. Жид

Сия статья посвящена одному из "чудо-устройств" - лампочке "вольфрам на сапфире", далее "ВнС". Под этим понимается вольфрамовая нить, встроенная в сапфир.

Жид В.

Сапфировой лампочке посвящается

Origin: http://samlib.ru/g/g_r_u/38.shtml

Создан: 01/05/2012, изменен: 01/05/2012, 11k

Статья: Изобретательство

Сия статья посвящена одному из "чудо-устройств" - лампочке "вольфрам на сапфире", далее "ВнС". Под этим понимается вольфрамовая нить, встроенная в сапфир.

____________________________________________________________

Посвящается также Назгулу, доставившему много приятных минут, потому как человеку с высшим образованием, да и просто знающего тему, которую он расписывает, его перлы читать без смеха невозможно.

Назгулом заявляется, что такая лампочка якобы радикально экономичнее и долговечнее обычных лампочек накаливания. Предлагаю рассмотреть сиё устройство с разных физических и практических аспектов. Для вычислений зададимся такими параметрами 'ВнС': лампочка цилиндрической формы, с длиной цилиндра l=100мм, радиус вольфрамовой нити r1=0.1мм, покрытой слоем сапфира, так что внешний радиус r2= 10мм.

Со слов автора во время работы 'ВнС' температура вольфрамовой нити Tf близка к 3000 °С.

Аспект 1.Тепловой баланс и вытекающий из него КПД.

Учитывая, что сапфир плавится при 2050 °С, получается, что около вольфрамовой нити сапфир находится в расплавленном состоянии. Оставим пока в стороне крайнюю сомнительность оного технического решения, но из него следует, что температура наружной поверхности лампочки Tw не должна превышать максимум 1600 °С (сапфир при этой температуре, проще говоря, начинает размягчаться), иначе вся эта конструкция просто расплавится и вытечет.

Оставляем также в стороне вопросы как именно осуществляется охлаждение и его равномерность, примем за данность температуру наружной поверхности Tw лампочки в 1600 °С.

Небольшое лирическое отступление. Собственно КПД ламп накаливания определяется частью излучения нагретого тела, попавшего в видимый спектр, а также отношением потерь тепла излучением к энергии затраченной на нагрев элемента.

Эффективность лампы тем больше, чем меньше безизлучаетельных потерь (теплопроводность, поглощение света внутри лампы и т.п.) . Что до доли излучения нагретого тела, что попадает в видимый глазом спектр (с учётом фотометрической кривой), составляет примерно Кв= 4% для вольфрамовой нити накала c температурой 3270К. Нет оснований полагать, что Кв обычной лампы накаливания при той же температуре будет отличаться для 'ВнС' лампы.

Далее, рассчитаем по известным формулам потери тепла на излучение и на теплопроводность для 'ВнС'. Коэффициент серости вольфрама берём 0.34 для 3273К, теплопроводность сапфира 30 Вт/(м*К), все эти данные из общедоступных справочников. Заметим, что сапфир весьма теплопроводный материал, почти в 4 раза превышает по этому параметру кварц.

Итого, потери на излучение (закон Стефана-Больцмана):

Wr=

Потери на теплопроводность (дополнительные потери на конвекцию и на концах трубки не учитываем)

;

Соответственно КПД по полному излучению подобной лампочки полагаем ;

Подставив известные значения, получаем значение Wr = 139.00 Вт, Wc = 5730.38 Вт, и Ки соответственно около 2.4%. Для сравнения: Ки для обычных ламп накаливания составляет 75-98% в зависимости от конструкции [IES Lighting handbook - Reference Volume, IES of NA, NY 1984, pp. 8-72]. Да-да, конструкторы ламп накаливания задумывались о вопросах теплоизоляции нити накала, потому как понимали, в отличие от Назгула, важность этого вопроса, и добились в этом направлении немалых успехов.

Т.е. излучательная эффективность 'ВнС' лампы составляет лишь 2.4% от обычной лампы. Полная осветительная эффективность 'ВнС' -- Кв*Ки 0.1%; ну просто офигительная 'эффективность'. Таким процентам впору красоваться на этикетках безалкогольного пива.

Аспект 2. Долговечность.

Долговечность лампы накаливания ограничена в основном кислородом, который может проникнуть к вольфрамовой нити из воздуха, и испарением вольфрамовой нити.

Сильно повышенные температуры в 'ВнС' лампочке весьма способствуют диффузии кислорода. Равно как и диффузии вольфрама в сапфир. Точный расчёт затруднителен, но имея приблизительное выражение для диффузии кислорода в сапфире тут при 1700 °С, и сравнив с аналогичным параметром для стекла колбы лампы накаливания тут, которая обычно находится при 300-400 °С, получаем параметры диффузии для сапфира 0.18 и 10-18 - 10-15 для стекла. Что характерно, при температуре ниже 1600 °С темп диффузии кислорода в сапфире значительно медленнее, но тоже значителен, на уровне 10-9. Т.е. диффузия кислорода в 'ВнС' на несколько порядков больше, чем в обычной лампе накаливания.

При таком раскладе сложно давать 'ВнС' лампочке срок более сотни часов до того, как вольфрам окислится. Особенно учитывая, что в баллоне лампочки накаливания могут быть составы, которые могут связать 'прорвавшийся' кислород, а у 'ВнС' ничего подобного быть не может.

Утверждение о 'вечности' 'ВнС' лампы базируется на ещё одной фантазии автора, что якобы вольфраму в ней испаряться некуда. Это было бы правдой, если бы сапфир, окружающий вольфрам, был в твёрдой фазе. Однако он, по условию, находится в жидкой фазе, и со значительным температурным градиентом; так что практически гарантирована конвекция, которая помаленьку уносит в объём сапфира неосторожно испарившиеся с вольфрамовой нити атомы.

Аспект 3. Уже существующие приспособления схожего устройства.

Назгулу безусловно очень хотелось бы, чтобы структуры сапфир/вольфрам в практическом применении не встречались, и никто не имел опыта работы с ними, так чтобы он мог развешивать на ушах 'телепузиков' и 'нетелепузиков' разнообразную лапшу об их свойствах. Онако... они таки практически применяются.

Пример:

Испарители сапфир на вольфраме: Вольфрамовый нагреватель с корундовым (тот же сапфир) покрытием, на которое кладётся распыляемый материал. Поскольку корунд не взаимодействует с распыляемым металлом, не даёт это делать вольфраму, и не даёт вольфраму распыляться, то достигается значительно более высокая чистота.

тут

Почти один-в-один назгулова лампочка, только вольфрамовая лента вместо нити, и покрытие тонкое. Что характерно, многие умные люди эту штуку использовали. Но никто из знающих физику как-то не рассматривал всерьёз применение её в качестве осветительного прибора. Понимали, видать, бесперпективность, прикинув всё вышеизложенное за пару минут...

И что характерно, такие штуки подозрительно предназначены для работы почти исключительно в высоком вакууме... Это к вопросу о неокислении подобной конструкции при работе в атмосфере.

Аспект 4. Практическая применимость.

Сделаем на минутку фантастическое допущение (ну или обычный назгулов авторский произвол): лампа 'вольфрам-на-сапфире' существует, и она действительно имеет хоть приблизительно качества заявленные автором: 4-4.5% эффективности против 1.5-3.5% у обычных лампочек накаливания, срок службы вдвадцатеро дольше обычной лампы -- 20000 часов (я помню, что авторский произвол даёт 50 лет, но это даже не смешно), ну и малые темпы производства, и высокая цена (немаленький кусок чистого качественного сапфира).

Вопрос: Будет ли она хоть тогда иметь смысл? Не существует ли конструкции получше и долговечнее?

Невзирая на истерические вопли Назгула о том, что капиталистическому производителю якобы вообще невыгодно делать что-то долговечное, после непродолжительного поиска в гугле находим наглядное доказательство ошибочности Назгула и в этом вопросе (кто б мог подумать...):

Безэлектродная люминесцентая лампа. Её особенность в том, что(очевидно) электородов у неё нет, и за счёт этого срок службы сильно увеличен.

Эффективность:10-12%(ок. 80лм/Вт)

Срок службы: 60000 часов и более.

Цена: 150-500 евров в зависимости от мощности.

Пример

Вот так. Изделие, котороё бьёт 'ВнС' лампочку по всем статьям в несколько раз. В том числе по стоимости. Лейкосапфир нужных размеров и качества потянет на 1000 евров минимум. Вибрации не боится, только к резким ударам относится отрицательно. Хитрой системы охлаждения с соблюдением температурных режимов, как у 'сапфировой' лампочки, не требует.

По части трудоёмкости производства, кстати, люминесцентная безэлектродная тоже лидирует - 'выдуть' тороидальную форму много легче чем сплавить высокочистый сапфир и вольфрам нужной степени чистоты в высоком вакууме. Цена безэлектродных лампочек будет понижаться со временем, а долговечность - увеличиваться. Уже сейчас на кой-каие лампы дают 100000 часов.

Собственно, и сейчас известно, что если безэлектродные лампы эксплуатировать на пониженной мощности, то их срок службы увеличится.

Насколько точно - неясно, поскольку времени с момента появления на рынке прошло немного, но для них 50 лет может быть УЖЕ вполне РЕАЛЬНОСТЬ, в отличие от Назгуловой воображаемой чудо-юдо-лампы 'ВнС', которую пока никто не видел работающей хоть при 2500 °С накала хоть как-нибудь.

Заключение: Лампочка 'вольфрам-на-сапфире' не будет работать и близко рядом с заявленной эффективностью и долговечностью. И даже ежели вдруг ТАК заработает, то уже есть технические решения намного превосходящие по всем параметрам. Идея лампы 'вольфрам-на-сапфире' -- нежизнеспособная техническая химера, не имеющая по факту никаких перспектив, даже в случае успеха. Современный мир оставил подобные мертворождённые идейки далеко позади. Этим химерическим идеям место только в паноптикуме, куда заходят посмеяться над ними люди, но не в реальной жизни.

Что интересно, сделать вышеизложенные прикидки и убедиться в не шибко хорошей работоспобности устройства вполне может ученик 11-го класса. Во всяком случае, я в 11-м мог. Но Назгулу это непосильно, видать. Возникают обоснованные сомнения в его состоятельности как технического специалиста.

Отсюда любопытно, какого уровня работу Назгул делал в 'военном' КБ, в котором он якобы работал... Есть подозрение, что он там был замполитом или вовсе 'подай-принеси-пшёл нафиг'. Если же он там реально что-то разработал, то лучше знать, что это было и держаться от этого подальше. Ибо 'инженер' такого 'уровня' вряд ли может сделать что-то хорошее.

____________________________________________________________

© Жид В.. Сапфировой лампочке посвящается

Origin: http://samlib.ru/g/g_r_u/38.shtml

Создан: 01/05/2012, изменен: 01/05/2012, 11k

Статья: Изобретательство