AZ ELEKTROMOS VILÁGÍTÁS KÉMIAI PROBLÉMÁI
Írta: Millner Tivadar



A kémia és vívmányai, II. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940. 
Elõzõ rész


 Az izzólámpák gyártása. Az izzólámpák elkészítése az elôre leszabott üvegalkatrészekbôl, elôkészített árambevezetôkbôl és spirálisokból, üvegburákból és lámpafejekbôl körbenforduló munkagépeken,. nagymértékben automatikusan történik. Ezt a folyamatot a 38. kép szemlélteti.

38. kép. A gépi izzólámpa-készítés folyamata

A régi egyenes fonalú vákuumlámpák helyét ma a jobb, kedvezôbb fényeloszlású vákuumspirális-lámpák töltik be. Ha szemügyrevesszük, mi szabja meg ezeknek a 9-10 lm/w gazdaságossággal világító vákuumizzólámpáknak kb. 1000 óra élettartamát és mi biztosítja 15%-nál rendszerint jóval csekélyebb fénycsökkenésüket, a kész izzólámpa legjellemzôbb kémiai folyamataival találkozunk.

A tapasztalat azt mutatja, hogy a legkülönbözôbb wolfrámszálak is egyaránt tönkremennek, ha kb. 1/10 részük elpárolgott. Mire egy kezdetben 9,6 lm/w gazdaságossággal világító 110 V/25 w-os vákuumspirállámpa 8,2 mg súlyú izzószála 1000 óra után kiég, addig kb. 0,8 mg-ot veszít súlyából. A mai hibátlan vákuumlámpa élettartamát egyedül ez a párolgási folyamat szabja meg.

Ehhez a kedvezô körülményhez azonban az szükséges, hogy a lámpakészítésnél az üvegfelületekrôl az adszorbeált gázokat hevítéssel és elszívással jól eltávolítsuk és a kész lámpában maradó kb. 1/1000 mm nyomású gázmaradékot getteranyagokkal például az izzószálról elpárologtatott 0,1-0,2 mg vörösfoszforral az elsô bekapcsolásnál, csendes elektromos kisülés közben (clean up) megköttessük. Még ha az egész gázmaradék wolfrámizzószálat egyenletesen fogyasztó O2-gáz volna is, alig csökkentené 1 órával egy 1000 órás izzólámpa élettartamát. Miért kell mégis nagy gonddal eltávolítani ezt a gázmaradékot? Fôleg azért, mert vízgôz van benne. A vízgôzmolekulákból az izzó wolfrámszálon elpárolgó wolfrámoxid és atomos hidrogén keletkezik:

W + 2H2O = WO2 + 4H (az izzószálon).

Az üvegburára lerakódó wolfrámoxidot a hidrogénatomok könnyen redukálják,

WO2 + 4H = W + 2H2O (az üvegburán)

és így újra izzószálat oxidáló vízgôzmolekulákat alkotnak. A molekulák gyors mozgása folytán ez az ún. Langmuir-körfolyamat még 1/1000 mm-nél jóval kisebb vízgôznyomásoknál is olyan gyorsan és sokszor ismétlôdik, hogy az izzószálat 1/10 részével néhány óra alatt megvékonyíthatja. A vörösfoszfor a vízgôzmolekulákat erôsen megköti, ezzel a körfolyamatot megakadályozza; egyúttal az izzólámpában állandóan 1/1000000 mmHg-nál is kisebb nyomást tart és így lehetôvé teszi a vákuumizzólámpák jó élettartamának kialakulását.

A jól elkészített vákuumizzólámpában nem hord ugyan a vízgôzkörfolyamat wolfrámfémet az üvegburára, de azért már az izzószál szükségképen elpárolgó 1/10 része is 30-40% fénycsökkenést okozhatna, ha az üvegbura feketedésén halványító getteranyagokkal nem segítenének.

A feketedés halványítása céljából a vákuumlámpák izzószáláról a vörösfoszforral együtt 0,1-0,5 mg CaF2-ot, Na3AlF6-ot, KBF4-ot stb. párologtatnak el. Ezek a sók nem látható vékony rétegben az üvegburára rakódnak és az elpárolgó wolfrámatomokat részben kémiai vegyüléssel, részben pedig igen erélyes adszorpciós kötéssel elhalványítják. Hasonló a feketedés színének ez a megváltozása, halványulása ahhoz az ismert folyamathoz, amikor egyes textilszálak festésénél a festék színe a rostokon való megkötéstôl megváltozik. A ma alkalmazott halványító getteranyagok erélyes hatását a 40. kép szemlélteti.

40. kép. Halványító getterrel (jobbra) ás anélkül (balra) készült
vákuumwolfrámizzólámpa feketedése teljes élettartama alatt

A gáztöltésû izzólámpa. Mivel a vákuumlámpák élettartamát ma már egyedül az izzószál párolgása szabja meg, a wolfrámfém párolgásának sebessége pedig a hômérséklet 40-ik hatványával arányos, a vákuumizzólámpák érdemlegesen már nem tehetôk gazdaságosabbá. Az izzószál hômérsékletének kis emelése is az élettartam nagymértékû csökkenését okozná.

Régóta ismeretes azonban, hogy a testek párolgásának sebességét védôgáz erôsen csökkenti. Ezért, ha a vákuumlámpát alkalmas gázzal megtöltjük és izzószálát légürestér helyett gáztérben hevítjük, az izzószál hômérsékletét és ezzel fényszolgáltatását a lámpa élettartamának csökkenése nélkül lényegesen emelhetjük. Ezzel azonban a lámpa még sem lesz gazdaságosabbá, hanem romlik, mert az izzószálat gáztérben csak úgy tarthatjuk magas hômérsékleten, ha a kisugárzott energián kívül azt a nagy mennyiségû meleget is pótoljuk, amelyet róla a gáz elvezet. Langmuir ismerte fel, hogy az izzólámpában fel-alá áramló gáz nem az izzószál valódi felületét, hanem a szálat burkoló 1-2 mm vastag, nyugvó gázréteg felületét hûti. Ha tehát hosszú vékony izzószál helyett egy belôle készült, de csak például 1/12 olyan hosszú spirálist izzítunk gáztérben, akkor a hôveszteségek is 1/12 részre csökkennek, mert a spirálist kb. ugyanolyan vastag, de csak 1/12 olyan hosszú nyugvó gázburok veszi körül, mint az egyenes izzószálat. Így a hôveszteségek lényegében az izzótest, és nem az izzószál hosszával arányosak. Ez alapon sikerült Langmuirnak 1913-ban olyan gáztöltésû wolfrámspirálislámpát szerkeszteni, amelynél az izzószál magasabb hômérsékletével elért gazdaságosság-nyereség nagyobb, mint a gáz hôelvezetése által okozott veszteség: amely tehát gazdaságosabb, mint a legjobb vákuumlámpa.

Az elsô lámpák közismert félwatt-elnevezése 25 lm/w ökonomiát jelentene. Azonban ezt a kiváló értéket ma is csak a legnagyobb lámpák közelítik meg. De már egy mai 99 w fogyasztású, 110 V/150 dlm-es gáztöltésû lámpa 15,22 lm/w gazdaságossága több mint 5o%-kal felülmúlja a vákuumlámpák gazdaságosságát. Emellett 2400 oC izzószálhômérsékletének megfelelôen a fénye szép fehér.

Az elsô gáztöltésû lámpák nitrogéntöltését 1916-ban Jacobi a hôt kevésbé vezetô argonra cserélte fel. Az izzó wolfrámszállal szemben a nitrogén is, és az argon is kémiailag közömbösek. Az általánosan használt lámpatípusok ma az egész világon kb. 10% nitrogént tartalmazó 400-600 mm nyomású argongázzal készülnek. A kb. 1/10 rész nitrogénre azért van szükség, mert ez akadályozza meg az argonban könnyen meginduló, romboló elektromos ívkisüléseket. Ezek kioltására egyes lámpatípusoknál biztosítódrótot is alkalmaznak a lámpafejekben.

A levegôben 1% argongáz van. Ezt az izzólámpagyárak cseppfolyósított levegôbôl frakcionáló berendezésekben úgy választják ki, hogy a nitrogént elpárologtatva egy nagyrészt oxigénbôl és argonból álló hideg gázt vagy folyadékot nyernek és ezt újra frakcionálják. Kényes feladat ez, mert az oxigén forráspontja (183 oC) alig tér el az argon forráspontjától (186 oC). A kb. 40% oxigént tartalmazó nyers argonból azután, például izzó rézforgáccsal, eltávolítják az oxigént és hozzáelegyítik a megkívánt nitrogénmennyiséget. Mielôtt ezt a gázt izzólámpákba töltenék, szilárd kálilúg, izzó rézforgács és esetleg meleg nátriumfém felett elvezetve szénsavtól, vízgôztôl és oxigéntôl gondosan megtisztítják, majd például tömény kénsavval és foszforpentoxiddal továbbszárítják.

Szükséges ez a gondos töltôgáztisztítás, szükséges az üvegrészek gondos kihevítése és vörösfoszforgetter alkalmazása is, mert a gáztér szennyezései, fôleg a vízgôz, a gáztöltésû lámpában is igen károsak. A vízgôz a spirálisokat egyes kiválasztott helyeken oxidálja; az ettôl kissé megvékonyodott menetek túlhevülnek és (a szomszédos menetekre rápárologva) megolvadnak vagy eltörnek.

A duplaspirális-lámpáknak (1927) az egyszerû spirálisú gáztöltésû lámpákhoz mérve átlagosan 10%-kal gazdaságosabb mûködését az izzótest még tömörebb kialakítása (41. kép) teszi lehetôvé.

41. kép. Egyszerû spirális (balra) és duplaspirális (jobbra)

A gáztöltésû lámpa izzószála kiégésig meglepôen keveset veszít a súlyából: alig 1-2%-ot. Tényleges párolgása ennél sokkal nagyobb mértékû, de az izzószálat borító nyugvó gázrétegen át csak kevés wolfrámgôz diffundál ki az áramló gáztérbe, a többi újra az izzószál felületére kondenzál. Bródy I. ismerte fel, hogy a gáztöltésû lámpában az izzószálról a nyugvó gázrétegen keresztül nemcsak közönséges diffuzióval jut ki wolfrámgôz, hanem ezt az izzószálat vékonyító folyamatot egy termikus diffuziónak nevezett jelenség még sietteti. A termikus diffuzió abban nyilvánul, hogy ha gázkeverékben térbelileg hômérsékletkülönbség áll fenn és a gázkeverék túlnyomóan egy könnyû gázból (argon) áll, amelyhez kismennyiségben egy nehéz gáz (wolfrámgôz) van keverve, akkor a nehéz gáz a hidegebb hely felé áramlik. A nyugvó gázrétegben, amely az egyik oldalán az izzószállal, a másik oldalán az áramló töltôgázzal érintkezik, 1 mm-en 2100 oC a hômérsékletkülönbség: ez a termikus diffuzió nagymértékû érvényesülését teszi lehetôvé.

Mivel a termikus diffuzió hatása annál csekélyebb, minél nagyobb a "könnyû gáz", vagyis a töltôgáz  molekulasúlya, egyéb elônyök mellett fôképen ezért elônyös a 40 atomsúlyú argont a 83 atomsúlyú kriptonnal felcserélni a gáztöltésû izzó lámpában.

Így pl. az 52 w fogyasztású 110 V/65 dlm-es duplaspirális-izzólámpát az argon helyettesítése kriptonnal a kripton csekélyebb hôvezetô-képessége folytán kb. 5%-kal, a közönséges diffuziót lassító nagyobb molekulaátmérôje révén kb. 1-2%-kal, és a termikus diffuziót csökkentô nagyobb atomsúlya révén kb. 8-10%-kal teszi gazdaságosabbá, tehát összesen kb. 15% gazdaságosság-nyereséget nyújt 1000 óra élettartam mellett.

1000 m3 levegôben 1,2 liter kriptongáz van. Ezt a ritka nemesgázt amelynek ára az elsô kísérleteknél 1000 pengônél is több volt literenként az Egyesült Izzólámpa és Villamossági R. T. ma az Ajkán épült kriptontelepen nagyipari mértékben; az izzólámpagyártás igényeinek megfelelô költséggel nyeri levegôbôl. A kriptonlámpák, amelyekbôl ma már milliós mennyiségek készülnek, általános használatba elôször 1936-ban, Magyarországon kerültek.

A világ izzólámpatermelésének több mint a fele gáztöltésû lámpa. A duplaspirális és a kriptontöltôgáz jelentôs lépés abban az irányban, hogy a vákuumizzólámpa sárgásabb fényét a kisfogyasztású lámpáknál is a gáztöltésû lámpa fehér fénye váltsa fel.

42. kép. 110 V/25 dlm-es gáztöltésû izzólámpa kriptontöltéssel (balra) és argontöltéssel (jobbra). Szembeötlõ a hõt kevésbé vezetõ kriptongázzal töltött lámpa léányegesen kisebb térfogata. (Az elsõ lámpa fogyasztása 24 w, a másodiké 22 w.)

Az izzólámpa üvegrészei, az árambevezetôk és a lámpafej. Az árambevezetôdrótok az izzólámpa üvegfalán (a "lapításon") vezetnek át. Ha az üvegnek és az üvegbe olvasztott drótnak hôkiterjedése nem egyezik meg eléggé, az üveg az árambevezetôk beforrasztásánál egyenlôtlen feszültségi állapotba jut. Ez repedésekhez, üvegelváláshoz és így levegôbeszivárgáshoz vezethet. Ennek elkerülésére régebben platinadróton vezették az izzólámpába az áramot, mert ennek hôkiterjedése megegyezik a használatos ólomüvegével.

Jó elektromos szigetelôképessége miatt mai napig is ólomüvegbôl készül a legtöbb izzólámpa állványa. Platinadrót helyett azonban már régóta rézzel bevont nikkel-vasötvözet drótot, ún. dumetet használ az izzólámpaipar. Az üvegbura pedig ma az olcsóbb és kissé keményebb mész-magnézia üvegbôl készül.

A már jó ideje ismert pyrexüveg felhasználása a nagyfogyasztású és erôsen melegedô lámpák (pl. vetítô- és autólámpák stb.) gyártásában lényeges újítást tett lehetôvé. Ez az üvegfajta, amelybôl a jólismert "tûzálló" háztartási üvegedények készülnek, olyan kemény és hôtágulása olyan kismértékü, hogy belôle a nagyfogyasztású lámpák régi térfogatuk 1/2-1/4 részével készíthetôk.

A 43. képen látható, hogy ezek lámpafej nélkül, közvetlenül a préselt üveg talpból kiálló fémcsapokkal illeszthetôk a lámpafoglalatba.

43. kép. Pyrex-üvegbõl, préselt üvegtalppal készült kisméretû
115 V,  1000 w-os vetítõlámpa

E) A világítás fejlôdésének újabb iránya. Az ívkisüléses lámpák és a lumineszkáló csövek. A nemrég még utca- és teremvilágításra széltében-hosszában használt 6-13 lm/w gazdaságosságú szénrudas ívlámpákat szinte teljesen felváltották a sokkal egyszerûbb és gazdaságosabb izzólámpák. De az ívfénynek azért továbbra is jelentékeny szerep jutott a világítás fejlôdésében.

A jól ismert orvosi kvarcfénylámpa amelyben kvarccsôbe zárt 1 atm nyomású higanygôzön áthaladó ívkisülés termeli a fényt ultraibolya sugárzása mellett 20-40 lm/w-os kitûnô gazdaságossággal világít is. Ennek mintájára ma már nagy mennyiségben készülnek olyan higanygôz-ívlámpák, amelyekben supremax típusú üvegcsôbe zárt kb. 1 atm nyomású higanygôzön áthaladó ívkisülés 35-45 lm/w gazdaságossággal termel 300-2000 dlm-es fényáramot. Fényük zöldes-kékes színárnyalatú, de ez például utak, terek stb. világításánál nem zavaró.

Ha ilyen lámpákban a higanygôz nyomását fokozzuk (pl. 10-20 atm-ra), az ívkisülés fénye egyre fehérebb lesz és gazdaságossága javul. A higanygôz nyomását 150 atm-ig növelve a gazdaságossága 60-70 lm/w-ra fokozható (Bollámpa).

Igen gazdaságos, színes, vagy szép fehéres fényforrássá alakíthatók azok a neonfénynek nevezett gázkisüléses világítócsövek, amelyek a nagyobb városok esti utcaképét reklámok színesen világító vonalaival olyan tetszetôssé teszik. Ezekben a világítócsövekben, amelyeknek gyakorlati kialakítása Moore és Claude nevéhez fûzôdik, az elektromos áram néhány mm nyomású tiszta neongázon (vörös fény), vagy kevés higanygôzt tartalmazó argon-neon gázelegyen (kék fény) halad át. Eközben fôleg a kékfényû csövek a látható fény mellett bôven sugároznak ultraibolya sugarakat is. Ezt az ultraibolyasugárzást a régen ismert, de újabban rendkívül tökéletesített "világítófestékekkel" az ún. lumineszkáló anyagokkal csaknem teljesen látható sugárzássá lehet alakítani. A következô táblázat szemlélteti, milyen jó ökonomiával lehet így a világítócsövek felületére rétegezett lumineszkáló anyagokkal színes fényt termelni.

 Világítócsövek sugárzásának átalakítása lumineszkáló anyagokkal

Neoncsõ Argon-higanygõz csõ
A fény színe Gazdaságosság
lm/w
A fény színe Gazdaságosság
lm/w
Lumineszkáló anyag nélkül  vörös 15 halványkék 5
Cinkszilikáttal sárga 22 zöld 36
Kalciumwolframáttal rózsaszín 15 világoskék 15

Ma a legkülönbözôbb színekben ragyogó neoncsövek készülnek ilyen módon. A világítás fejlôdése szempontjából azonban az a figyelemremé!tó, hogy pirosan, zölden, kékesen stb. lumineszkáló anyagok alhalmas keveréke segítségével így 30-40 lm/w gazdaságossággal lehet igen szép fehéres fényt termelni.

Az új ívkisüléses lámpák árambevezetôi ún. oxidkatódok (melegen elektronokat kibocsátó szervek) úgy, hogy a lámpák egy fojtótekeres beiktatásával a hálózati feszültségrôl gyújthatók és tarthatók üzemben. Ezekben a lámpákban nem izzó szilárd testek termelik a fényt. Fényük elektromosan sugárzásra késztetett atomoktól vagy molekuláktól származik és csak bizonyos meghatározott hullámhosszakra vagy hullámsávokra terjed ki. Hôsugárzásuk csekély. Ez teszi lehetôvé, hogy gazdaságosságuk alacsony hômérsékleten is felülmúlja az izzó szilárd testekkel elért és egyáltalán elérhetô ökonómiaértékeket. Ezért terelôdött a világítás fejlôdése feléjük. Áll ez a lumineszkáló csövekre is, amelyeknek fényével az annyit emlegetett hideg fény valósul meg.


Elõadó
A kémia és vívmányai
http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/