五、钨丝保卫战

看不见的敌人和朋友

一只普通的白炽灯泡，主要由灯丝、导线、支架、泡壳、灯头等组成。

同炭丝一样，白炽灯泡里的钨丝也害怕空气。钨丝通电以后，温度升高到摄氏两千度以上，在这样高的温度下，空气对它的侵袭是毫不留情的。

如果灯泡里充满了空气，一通电，灯丝很快就会被烧断，并且产生一种黄白色的三氧化钨，附着在泡壳内壁和灯内部件上。

要是灯泡里残留的空气比较少，那么这个氧化过程就要进行得慢一些，钨跟空气中的氧化合生成一薄层蓝色的三氧化二钨和氧化钨的混合物。

空气中有时混进少量的水蒸气，结果是在泡壳壁上出现一层灰暗的物质。

这些都是空气玩的把戏——空气里的氧气使高温的钨丝氧化了。

所以钨丝灯泡也应该抽成真空。

但是，这样做还没有解决全部问题。钨丝遇到空气时会氧化，灯泡里没有空气它又会蒸发。蒸发的结果，钨丝越来越细，很容易断掉，灯泡的寿命仍然不长。

那么有没有办法使灯丝在没有空气的条件下减少蒸发和延长使用寿命呢？

办法只有降低温度。当钨丝的工作温度高达二千七百多度的时候，灯泡的使用寿命不到一个小时而当工作温度降低到一千七百多度时，使用寿命就能延长到一千小时以上。降低温度确实可以达到叫灯泡延年益寿的目的。

但是，降低钨丝的工作温度，也就是降低它的白炽程度，会使灯泡的发光效率降低，远不如温度高时那么期亮。

于是，问题就这样明明白白地摆在人们面前;要想灯泡更多地发光，就得提高灯丝的温度;要想减少钨丝的蒸发，又得降低它的“体温”。这是矛盾的。人们需要的是既有高的发光效率，又能减少钨的蒸发。

解决矛盾需要分析矛盾。为什么灯泡里有空气的时候，虽然灯丝很快地被氧化，可是钨的蒸发却变慢了？

原来，空气是由多种成份组成的，使钨氧化的“罪魁祸首”是占空气总量五分之一的氧气，至于在空气里占大多数的氮气，它不仅没有参与对钨的破坏作用，相反地还是干了好事的——阻碍钨分子的运动，减慢钨的蒸发速度。

这样，人们就给钨丝找到了一位保卫它的好肌友——氮气。氮气就在空气里，而且是空气的主要成份，真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”！

氮气是个懒惰的家伙，好自个儿东游西逛，跟谁也不爱打交道。它在好多地方派不上用场，但在白炽灯泡里却可以大显身手。

你看，当钨丝接通电流，温度升高以后，钨的分子就活跃起来了，它们“蠢蠢欲动”，大量地脱离灯丝，这就是蒸发。

当灯泡里是真空的时候，钨分子的运动毫无障碍，“如入无人之境”，可以到处乱跑，直到碰在泡壳壁上被’吸着时为止。

泡壳里一旦充进了氮气，情况就不同啦。氮气的每一个分子都是一名勇敢的战士。它们守卫在钨丝的周

围，对那些企图脱离钨丝四处乱窜的钨分子毫不客气，狠狠地撞击回去，叫它们重返岗位，继续工作。这样一来，钨丝的蒸发速度就缓慢得多了。

结果就出现了充氮气的钨丝灯泡。

一九一三年，兰米尔第一个往泡壳里充进氮气，这是继灯丝由炭丝改成钨丝后白炽灯的又一重大革新。直到现在，这种灯在照明领域里仍旧占有重要的地位。

充气灯泡

充气灯泡，既可以避免灯丝氧化，又能够阻止灯丝蒸发，好处是很明显的。

但是，与真空灯泡相比，充气也带来了新的问题:气体会把热量传递给泡壳，散失到周围空间里去，结果是增加了气体的热损失，降低了白炽灯的发光效率。这又是一个矛盾。

要看看什么是矛盾的主要方面。

比方说，如果钨丝的蒸发是矛盾的主要方面，热损失不多，那当然，通过充气抑制钨丝蒸发，就能很好地提高发光效率，充气是有利的；反过来，要是矛盾的主要方面是热损失，蒸发问题不大，那么充气以后发光效率降低较多，充气就弊多利少了。

一般来说，功率比较小的灯泡，灯丝细长热损失挺大，充气虽然也能减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度，但是这部分发光效率的“收入”，弥补不了充气以后热损失的“支出”。对于这样的灯泡，充气就不一定合适。

充气灯泡里究竟充多少气好呢？这里也有讲究。

当然罗，充气越多，泡壳里的气体密度越大，压力越高，抑制钨丝蒸发的效果也越明显。但是，充气太多，热损失大大增加，泡壳还必须做得十分结实才能防止爆裂，结果就未必有利。

一般灯泡的充气压力，都在一个大气压左右。

除了讲究充气量以外，还要考虑充什么气。

氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氪、氙等气体都可以用来奔进泡壳里。

稍稍想一下就会明白，用来抑制钨分子的蒸发，选择那些身材比较“魁梧’体重比较大，也就是分子量比较重的气体是有利的。

比方说，氦是最轻的惰性气体，用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重，氖和氩又比氮更重。同样的灯丝，同样的温度，在氮气里的蒸发率，只有在真空中蒸发率的百分之二到百分之五。如果充的是氩气，那么效果将更好，钨的蒸发率将降低到只有真空中蒸发率的百分之一点三到百分之三。充氩气的灯泡是一九二〇年发明的。

普通白炽灯泡里，都充百分之九十的氩气和百分之十的氮气，或者百分之八十六的氩气和百分之十四的氮气。

为什么不充分子量更大的氪、氙等惰性气体呢?它们抑制钨丝蒸发的能力不是更强吗？

这是事实。氪、氙等惰性气体不仅分子量大，抗击力强，而且还有一个长处，传热的本领差。也就是说，泡壳里充进这样的气体，不仅对钨丝的蒸发有更大的抑制作用，而且带来的热损失比较小。这样的充气灯泡的工作温度可以提得更高，灯更明亮，发光效率比充氩、氮气体的灯泡提高约百分之三十，而灯泡的寿命却并不缩短。

但是，话又要说回来，氪、氙等气体都是所谓稀有气体，它们在空气里的含量比氩还少，所以身价高昂，十分难得，只是在特别需要的情况下，比如在制作某些矿灯的时候才使用。

为了提高灯的发光效率，人们又开动脑筋，在灯丝的外形结构上下功夫。

有一个办法是可以采用的，那就是设法减少灯丝和气体的接触面积。你一定知道，湿衣服晾开总是要比迭在一起容易干。人们把灯丝做成螺旋形，一方面减少了热量的散失，另一方面又降低了钨丝的蒸发量，真是一举两得，两全其美。

一九三六年，人们又制成了双螺旋灯丝。这样一来，充气白炽灯的工作温度就可以提高很多，高达摄氏二千五百度以上;摄影用的白炽灯甚至超过三千度。

通过充进惰性气体和改进灯丝结构，钨丝白炽灯的蒸发速度进一步降低，发光效率进一步提高，白炽灯在前进的道路上又迈开了一大步。

热心的卤素

白炽灯里充进了惰性气体，装上了性质非常均匀

的双螺旋灯丝以后，发光情况是比以前改善多了。但

是还不够理想。

一系列的努力只不过使钨丝的蒸发速度有所降低，但钨丝仍在固执地蒸发着，而且逃脱不了原来的规律₅即温度越高，蒸发越快。

通过降低温度的办法来减轻钨丝的蒸发是不行的，请来帮忙的惰性气体又不甚得力，所以必须继续探索，另谋新的出路。

惰性气体对于蒸发的钨分子只起狙〔K0击作用，而有些钨分子是很调皮的，它们会钻空子，通过惰性气体分子之间的空隙，溜到泡壳壁上去;而一旦钨分子到达泡壳壁上以后，赖着不走，惰性气体分子对它们也就无能为力了。

那么，能不能给钨丝找到一位既能抑制蒸发，又能在钨分子溜到泡壳壁以后，过去把“逃兵”抓住，送回到钨丝上去的“新朋友”呢？

有很多人在捉摸这个问题，努力为钨丝寻找理想的新伙伴。后来有一位名叫弗里德里奇的美国人，首先找到了卤素。

卤素是卤族元素的简称，包括氟、氯、溴、碘四个成员。人们在长期的生产实践和科学实验中认识了这族元素，知道它们在一定的温度下会跟钨化合，生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨，统称为卤化钨；卤化钨在稍高的温度下又很容易分解，变成钨和卤素，恢复它们的本来面目。

这个特点是非常重要的。如果人们往泡壳里充进一点卤素，接通电源以后，灯丝放光发热，同时开始蒸发。蒸发出来的钨除大部分叫惰性气体顶回去以外，还有一部分向泡壳壁运动，并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合，生成卤化钨气体。卤化钨反过来又向灯丝方向扩散，大约在距灯丝表面只有几毫米的地方，又因高温而分解成为钨和卤素。分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上，而新生的卤素则返回去参加下一次这样的反应。

你看，热心的卤素这样来回奔忙，把从钨丝上蒸发出来，并且钻空子偷偷跑到泡壳壁上的钨分子，一个个地拉回到原岗位上去工作了。

钨和卤素的这类反应是循环进行的，这一次反应和下一次反应相同，所以被叫做循环反应。钨和卤素在这样的反应中不断地消失而又再生，因此又叫做再生循环反应。

这样看来，卤素的作用确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨分子采取的只是阻拦战术，如果阻拦不住，它就一筹莫展，毫无办法。而卤素实行的却是暴力争夺，要是漏网的钨分子溜到泡壳壁上，赖着不走，卤素就跑过去把它们统统揪住，送回“原籍”。

说到这里，有的少年朋友一定会问：既然卤素能够把蒸发的钨分子送回到灯丝上，那么钨丝的寿命不就可以无限地延长了吗？

是的，这个想法没有错。但是，实际情况却不像你所想的那么简单。

卤族元素的四个成员都能在钨丝灯泡里进行再生循环，它们之间的主要差别,只是发生循环反应所需要的温度不同，与灯内其他部件和杂质发生化学反应的活泼程度也不一样。

事实上，在碘、溴、氯与钨的再生循环中，再生的钨不是一下子沉积到灯丝上，而是首先在灯丝附近徘徊。由于灯丝各个地方的温度不同，钨在温度高的地方蒸发得快，而在温度低的地方沉积得多。

这样一来，时间一久，钨就会逐渐地悄悄“搬家”，从温度高的地方向温度低的地方迁移。

比如,在灯丝比较细的地方，电阻比较大，温度比较高，钨在这里蒸发得比较快，而沉积回来的却比较少，结果越来越细，最后断开。

这就是说,灯丝上的高温热点是它的致命伤,灯丝一般都是在这里损坏的。

只有氟是例外。

在氟钨循环里，氟化钨在摄氏三千多度才分解，比一般灯丝的工作温度还高。氟化钨里的钨，总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方;哪里有高温热点，它就到哪里去分解沉积。

这样，氟钨循环不仅消除了钨分子的迁移现象，而且也防止了在灯丝上出现高温热点。从理论上讲，这种灯的灯丝的工作温度，可以接近钨的熔点，而且可以获得无限长的寿命，成为名副其实的“长命灯”。

世界上总是没有十全十美的东西。钨丝白炽灯里充氟不是非常之好吗?可是它又带来了一个新的难题:氟的个性过于活泼，爱跟别的元素打交道，对于灯里的许多部件以至玻璃泡壳，都有强烈的腐蚀作用，至今还没有找到合适的解决办法。

难怪充氟灯泡虽然前景诱人，却至今仍处在试验研究的阶段，没有得到实际的应用。

你可能会问，卤钨循环原理早在九十五年前就已被发现，白炽灯里充进卤素的设想也在本世纪初就有人提出，为什么卤钨灯直到本世纪五十年代才姗姗来迟呢？

原因是多方面的。关键问题是钨的卤化物要超过摄氏二百四十度时才挥发，而用作泡壳的普通玻璃，又经受不了这样的高温，再加上制造工艺方面的一些困难有待克服，所以卤钨灯的研制，长期只是停留在理论上和实验室里。直到人们制成了耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃泡壳，并接着解决了这类玻璃泡壳与金属引线的封接等问题以后，才在一九五九年造出了世界上第一只卤(碘)钨灯。

卤钨灯的诞生，使白炽灯的工作原理和设计思想，发生了革命性的变化。

过去，人们总以为改进制灯工艺的方向，是怎样使灯泡里的气体纯净更纯净，生怕混进去的杂质与制灯材料、灯内结构部件发生化学反应，会使照明设备遭到彻底的破坏。

卤钨灯的发明完全改变了这个旧观念。泡壳里充进卤素，正是为了造成我们所需要的化学反应，这样的反应每秒钟何止进行百万次！恰恰是这样的卤钨循环反应，可以被我们利用起来，提高了白炽灯的发光效率，延长灯泡使用寿命。

卤钨灯的问世，揭开了白炽灯发展史上新的一页！

两种卤钨灯

热心的卤素加入了钨丝保卫者的行列，它们不知疲倦地忙碌奔波，为改进白炽灯的性能献身尽力。

到目前为止，在理论上和实践上应用卤钨循环原理比较成功的是碘钨灯和溴钨灯。

往灯泡里充进纯碘，泡壳壁的温度控制在摄氏二百五十度到一千二百度之间，一般是六百度左右，从灯丝上蒸发出来的钨，将会在泡壳壁上与碘化合，生成碘化钨。碘化钨不大稳定，温度超过摄氏一千四百度就会分解。灯丝附近的温度一般能达到一千七百度，结果碘化钨就在这里分解成碘和钨。钨重新回到灯丝上，游离在灯丝附近的碘又再次向泡壳壁方向扩散，这样就形成了碘钨循环。

有了碘的献身尽力，碘钨灯大大减小了钨的蒸发量，灯泡的寿命延长，工作温度增加，发光效率也提高了。

拿功率一千瓦的电灯来说，普通白炽灯的平均寿命是一千小时，碘钨灯的平均寿命可延长百分之五十，发光效率还能提高百分之三十。

再来看看灯泡的大小。

碘钨灯的体积，要比同功率的普通白炽灯小得多。比如功率同样是五百瓦的灯泡，一百只碘钨灯加起来，才有一只普通白炽灯泡那么大。

除了适当量的纯碘以外，碘钨灯里也要充进惰性气体。由于泡壳是石英玻璃或者高硅氧玻璃做的，又小又结实，充气压力可高达一点五到十个大气压。这样一来，灯丝周围的气体密度很大，碘蒸气和惰性气体协同作战，层层设防，就能更好地保卫灯丝。

根据用途不同，碘钨灯可以分成好几种。

有的碘钨灯能发出大量肉眼看不见的红外线，热效率高，是加热干燥用的理想热源。

有的碘钨灯功率大，能辐射出巨大的光能，用作大型车间、广场、体育场、机场、港口等处的照明挺适宜。

有的碘钨灯是新闻摄影、电影摄影和放映、彩色照相制版的光源，功率高、体积小、重量轻是它的主要优点。在一部分激光装置中，碘钨灯还可以用来作光泵。

碘钨灯的光效高，亮度大，体积小，结构紧凑，这些正是汽车、火车照明求之不得的长处，难怪现在火车、特别是汽车上的聚光灯、雾灯、主前灯等，正在逐步改用碘钨灯。

碘钨灯也有不足之处。

充到泡壳里去的碘蒸气是紫红色的。它会影响灯的亮度，降低发光效率。

碘钨灯工作时泡壳里会发生气体对流，个别地点的温度可能下降，下降到碘蒸气的浓度不足以进行碘钨循环的程度，结果是造成泡壳的局部发黑。

有直立式的圆形碘钨灯，也有水平放置的管形碘钨灯。使用管形碘钨灯时必须放得很平，倾斜度不超过四度，不然就会影响灯的寿命——这也是一项麻烦而又不得不严格遵守的规定_t

有了这么些不够理想的地方，人们就一直在探索、研制一种新的更好的卤钨灯。

用溴来代替碘行不行呢？行！

溴钨循环与碘钨循环相似，只是溴的化学性质比碘还活泼。如果把卤素清除沉积到泡壳上的钨的工作比喻是“清洁工”的话，那么溴对泡壳壁的清洁效果就比碘更好，它是一名更勤快的“清洁工”。

溴钨灯里充溴的数量是必观严格控制的，稍稍超过，就会对灯丝比较冷的部分产生腐蚀。

长期的实践经验告诉我们，氢能缓和溴的化学活泼性。如果把溴化氢或者溴的碳氢化合物充进灯里，那么对灯丝的支架、引线和灯丝较冷部分的腐蚀作用就会轻得多。

溴化氢在灯丝附近温度高的地方分解，可以放出足够多的溴去跟蒸发出来的钨相作用，形成溴钨循环。

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立式溴钨灯

溴清洁泡壳壁的效果比碘好>泡壳发黑的问题基本解决。溴化氢是无色透明的气体，不吸收可见光，比碘钨灯的发光效率高。溴钨灯里的气体对流不影响灯的寿命，使用时也不像碘钨灯那样必须水平放置。

在许多岗位上，溴钨灯已经取代了碘钨灯。

溴钨灯发光体的形状多种多样，有的呈点状，有的成线形，还有的是面状的。

放映溴钨灯

点光源的溴钨灯工作温度高，发光效率大，在光学仪器、电影放映、红外投射、光刻等方面有广泛应用。

用很多段螺旋状的灯丝，排列成一个均匀的发光面，这就做成了面光源溴钨灯。线光源和面光源溴钨灯，正逐步被应用到电影、电视、舞台、摄影等方面。

二十世纪三十年代，一些新型的气体放电灯初露头角，特别到四十年代，当水银灯管的内壁涂上荧光粉而取得革命性的进展以后，许多人曾经预言：白炽灯的时代已经过去了，它们将从照明舞台上消失！

但是，悲观的预言并没有得到证实。尤其五十年代出现光效高、亮度大、体积小的卤钨灯以来，白炽灯获得了新的生命力，在照明领域里继续保持着应有的地位。

在卤钨灯里，碘钨灯和溴钨灯是值得骄傲的，它们先走了一步，已经在我国社会主义建设中初显身手。

氯钨灯和氟钨灯又怎么样呢？它们正在实验室里焦急地等待着科技工作者更快地使它们完善起来，投入生产，好早日为建设现代化的社会主义新中国献出自己的光和热。

更有强中手

自从十九世纪七十年代发明第一只白炽灯以来，人们就一直在为提高它的发光效率而斗争。

提高灯丝的工作温度是个好办法。在一般情况下，灯丝的工作温度越高，发光效率也越高，用同样多的电能可以获得更多的亮光，而且还能改善光色，使灯光更接近于日光。

正是因为这个缘故，人们选择了金属元素里的“难熔冠军”——钨丝作灯丝。同时，为了抑制钨丝在高温下的蒸发，给进一步提高灯丝的工作温度创造条件，人们又请到惰性气体和卤素来帮忙，制成了充气灯泡和卤钨灯。

但是，钨丝工作温度的提高终究是有限的，怎么高也高不过它的熔点。有些卤钨灯就差不多已经达到这个极限了。

怎么办呢？有没有熔点比钨还要高的金属材料可以用作灯丝呢？

有！人们早就发现某些金属的碳化物和硼化物有极高的熔点，其中特别是碳化钽和碳化铪，更是大名鼎鼎的“烈火金刚”，熔点高达摄氏三千八百八十度和三千八百九十度，比钨的熔点还高几百度。

虽然这个事实早已被人们所发现，而且碳化钽的电阻率又比钨高一倍左右，但是要把它做成灯丝可不容易——碳化钽又硬又脆，很难拉成细丝，至于绕成螺旋状，那就更不用提了。

制灯技术在不断地进步。一九六三年，人们克服种种困难，终于制成了第一只碳化钽灯泡。

极细的碳化钽灯丝，并不是直接用碳化钽制做的，而是拐了一个弯₉先用含钨百分之七的钽钨合金丝做成所需要的形状，再经碳化处理，才得到了碳化钽灯丝。

如果把碳化钽灯丝放在一般的氩、氮气体中点着，那么它确实很快就会在高温下分解烧化;但是，只要在这种混合气体里再加迸一些氢气，碳化钽灯丝就会在通电后大放光明，长期工作而安然无恙。

在摄氏三千三百多度高温下工作的碳化钽白炽灯，亮度极大，寿命很长，发光效率比碘钨灯和溴钨灯还高。用它来放映电影，银幕的亮度增强几倍，光色也变得更好。

事物的发展永无止境。白炽灯并没有到“退休”的时候。在新的科学技术培育下，从多方靣下手来改善它的性能，第一代电光源——白炽灯将继续前进。