مادة سلك المصباح: ما تحتاج لمعرفته
يعد سلك المصباح هو سلك رفيع يضيء عندما يمر من خلاله تيار كهربائي. إنه المكون الرئيسي لمصباح الإضاءة المتوهجة، الذي ينتج الضوء عن طريق تسخين السلك إلى درجة حرارة عالية. يجب أن يكون لمواد السلك خصائص معينة للتحمل الحراري وإنتاج ضوء مشرق ومستقر. في هذا المقال، سنستكشف تاريخ الخصائص والأستخدامات المختلفة لمادة سلك المصباح، بالإضافة إلى مزايا وعيوب مصابيح الإضاءة المتوهجة.
ما هو مصباح الإضاءة المتوهجة؟
مصباح الإضاءة المتوهجة هو مصباح كهربائي ينتج الضوء بتسخين سلك إلى درجة حرارة عالية حتى يتوهج. يتم تغليف السلك داخل زجاجة تحتوي على فراغ أو غاز غير نشط لمنع الأكسدة والتبخر من مادة السلك. يتصل المصباح بمصدر الطاقة بواسطة اتصالين معدنيين في القاعدة، وهما متصلان بسلكين صلبين يحملان السلك في مكانه.
تم اكتشاف مبدأ الإضاءة المتوهجة من قبل العديد من المخترعين في القرن الثامن عشر والتاسع عشر، ولكن أول مصباح إضاءة متوهجة عملي وتجاري ناجح تم تطويره بواسطة توماس إديسون في عام 1879. استخدم سلكاً من الخيزران الكربوني الذي استمر لمدة حوالي 1200 ساعة. لاحقاً، قام بتحسين تصميمه باستخدام سلك من الخيوط القطنية الكربونية التي استمرت لمدة حوالي 1500 ساعة.
ما هي خصائص مادة سلك مصباح جيدة؟
يجب أن تمتلك مادة سلك المصباح الخصائص التالية لتقوم بوظيفتها كمصدر ضوء متوهج:
نقطة ذوبان عالية: يجب أن يكون السلك قادرًا على تحمل درجات حرارة تصل إلى 2500 درجة مئوية دون الذوبان أو الانكسار.
ضغط بخار منخفض: يجب ألا يتبخر السلك أو يتحول إلى غاز عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى تغميق الزجاجة وتقليل سطوعها وكفاءتها.
خالي من الأكسدة: يجب ألا يتفاعل السلك مع الأكسجين أو الغازات الأخرى داخل الزجاجة عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى تآكله أو حرقه.
مقاومة كهربائية عالية: يجب أن تكون للمادة مقاومة كهربائية عالية، مما يعني أنها تعارض تدفق التيار الكهربائي. وهذا يجعلها تسخن وتبعث ضوءًا عندما يمر التيار الكهربائي عبرها.
معامل تمدد حراري منخفض: يجب ألا يتوسع السلك أو يتقلص بشكل كبير عند تسخينه أو تبريده، مما يؤدي إلى تشوهه أو انكساره.
معامل مقاومة درجة الحرارة منخفض: يجب ألا تتغير مقاومة السلك بشكل كبير عند تسخينه أو تبريده، مما يؤثر على التيار الكهربائي وسطوعه.
معامل يونغ وقوة الشد عالية: يجب أن يكون السلك قادرًا على تحمل الضغط الميكانيكي الناتج عن وزنه الخاص والاهتزاز دون الانحناء أو الانكسار.
مرونة كافية: يجب أن يمكن سحب السلك إلى شكل سلك رقيق جدًا دون الانكسار أو التشقق.
قدرة على التحويل إلى شكل سلك: يجب أن يمكن تشكيل السلك إلى حلقة أو حلقتين، مما يزيد من مساحة سطحه وسطوعه دون زيادة طوله أو مقاومته.
مقاومة عالية للتعب: يجب أن يكون السلك قادرًا على تحمل دورة التسخين والتبريد المتكررة دون الضعف أو الفشل.
ما هي أنواع مواد سلك المصباح؟
تم استخدام أنواع مختلفة من المواد لصنع أسلاك المصباح على مر السنين. بعض هذه المواد مدرجة أدناه:
الكربون
كان الكربون هو أول مادة استخدمت لصنع أسلاك المصباح بواسطة إديسون وغيره من المخترعين. له نقطة ذوبان عالية (3500 درجة مئوية)، ضغط بخار منخفض، مقاومة كهربائية عالية (1000-7000 ميكروأوم-سم)، ومعامل مقاومة درجة الحرارة منخفض (-0.0002 إلى -0.0008 / درجة مئوية). ومع ذلك، فإنه يمتلك أيضًا مقاومة للأكسدة منخفضة، معامل تمدد حراري عالي (2 إلى 6 / K)، قوة شد منخفضة، وتاثير تغميق عالي على الزجاجة. تبلغ كفاءة أسلاك الكربون حوالي 4.5 لومين/واط (لم/وات) ودرجة حرارة تشغيل تصل إلى 1800 درجة مئوية.
يُستخدم الكربون أيضًا لصنع المقاومات الحساسة للضغطالمقاومات، والتي تُستخدم في المحولات الكهربائية التلقائية، والفراشي الكربونية، والتي تُستخدم في الآلات الكهربائية ذات التيار المستمر.
التانتالوم
تم تقديم التانتالوم كمادة لأسلاك المصباح بواسطة فيرنر فون بولتون في عام 1902. له نقطة ذوبان عالية (2900 درجة مئوية)، ضغط بخار منخفض، مقاومة كهربائية عالية (12.4 ميكروأوم-سم)، ومعامل تمدد حراري منخفض (6.5 / K). ومع ذلك، فإنه يمتلك أيضًا مقاومة للأكسدة منخفضة، معامل مقاومة درجة الحرارة عالي (0.0036 / درجة مئوية)، قوة شد منخفضة، وكفاءة منخفضة (3.6 واط/قوة شمعة). تبلغ درجة حرارة التشغيل لأسلاك التانتالوم تصل إلى 2000 درجة مئوية.
لا يتم استخدام التانتالوم كمادة لأسلاك المصباح بشكل واسع اليوم بسبب كفاءته المنخفضة وندرته.
التنجستن
التنجستن هو المادة الأكثر شيوعًا لصنع أسلاك المصباح اليوم. تم استخدامه لأول مرة بواسطة ويليام د. كوليدج في عام 1910. له نقطة ذوبان عالية جدًا (3410 درجة مئوية)، ضغط بخار منخفض، مقاومة كهربائية عالية (5.65 ميكروأوم-سم)، قوة شد عالية، مقاومة للأكسدة عالية، وتاثير تغميق منخفض على الزجاجة. ومع ذلك، فإنه يمتلك أيضًا معامل مقاومة درجة حرارة عالي (0.005 / درجة مئوية) ومعامل تمدد حراري عالي (4.3 / K). تبلغ كفاءة أسلاك التنجستن حوالي 12 لومين/واط ودرجة حرارة تشغيل تصل إلى 2500 درجة مئوية.
يُستخدم التنجستن أيضًا كإلكترود في أنابيب الأشعة السينية وبشكل مادة اتصال كهربائي في بعض التطبيقات.
كيف يتم صنع أسلاك المصباح؟
تتم صنع أسلاك المصباح بطرق مختلفة اعتمادًا على المادة المستخدمة. تم وصف بعض هذه العمليات أدناه:
الكربون
تُصنع أسلاك الكربون بتكرير المواد العضوية مثل الخيزران، خيط القطن، نشا الورق، إلخ، في جو غير نشط بدرجات حرارة عالية (1000-1500 درجة مئوية). يتم بعد ذلك سحب المادة الكربونية إلى أسلاك رقيقة ولفها في حلقات.
التانتالوم
تُصنع أسلاك التانتالوم بتقنيات ميتالورجيا المسحوق. يتم خلط مسحوق التانتالوم مع مادة رابطة وضغطه إلى قضبان أو أسلاك. ثم يتم سنتير القضبان أو الأسلاك عند درجات حرارة عالية (2000-2500 درجة مئوية) في فراغ أو جو غير نشط. يتم بعد ذلك سحب القضبان أو الأسلاك إلى أسلاك رقيقة ولفها في حلقات.
التنجستن
تُصنع أسلاك التنجستن بعدة خطوات:
يتم استخراج خام التنجستن من المعادن الوولفرمات أو السشيليت وتحويله إلى حمض التنجستيك أو الأمونيوم بارا تنجستات.
يتم تقليل حمض التنجستيك أو الأمونيوم بارا تنجستات بالغاز الهيدروجين لتكوين مسحوق التنجستن.
يتم خلط مسحوق التنجستن مع مادة رابطة وضغطه إلى قضبان أو أسلاك.
