Материал на жица на електричната крушка: Какво трябва да знаете

Лампената нишка е тънка жица, която свети, когато през нея премине електрически ток. Тя е основният компонент на лампа с накалена жица, която произвежда светлина, като нагрява нишката до висока температура. Материалът на нишката трябва да има определени свойства, за да издържа горещината и да произведе ярка и стабилна светлина. В тази статия ще разгледаме историята, характеристиките и приложенията на различни материали за лампени нишки, както и предимствата и недостатъците на лампите с накалена жица.

Какво е лампа с накалена жица?

Лампата с накалена жица е дефинирана като електрическа лампа, която произвежда светлина, като нагрява жица до висока температура, докато тя свети. Жицата е заключена в стъклена колба, която съдържа вакуум или инертен газ, за да предотврати окислението и изпаряването на материалът на жицата. Колбата е свързана с източник на напрежение чрез два метални контакта в основата, които са прикрепени към две здрави жици, които държат жицата на място.

Принципът на осветяването с накалена жица е открит от много изобретатели в 18-и и 19-и век, но първата практична и комерсиално успешна лампа с накалена жица е разработена от Томас Едисън през 1879 година. Той използва карбонизирана бамбукова жица, която продължи около 1200 часа. По-късно той подобри своето проектиране, използвайки карбонизирана памучна нишка, която продължи около 1500 часа.

Какви са свойствата на добър материал за лампена нишка?

Материалът на лампена нишка трябва да има следните свойства, за да функционира добре като източник на светлина с накалена жица:

• Висока точка на топене: Жицата трябва да може да издържа температури до 2500°C, без да се топи или прекъсва.

• Ниско парно налягане: Жицата не трябва да се изпарява или сублимира при високи температури, което би причинило колбата да потъмнее и да намали яркостта и ефективността си.

• Свободна от окисление: Жицата не трябва да реагира с кислород или други газове в колбата при високи температури, което би причинило корозия или изгаряне.

• Висока препративност: Жицата трябва да има висока електрическа препративност, което означава, че противодейства на потока на електрическия ток. Това я кара да се нагрява и да излъчва светлина, когато ток премине през нея.

• Нисък термичен коефициент на разширяване: Жицата не трябва значително да се разширява или съкращава, когато се нагрява или охлажда, което би причинило деформация или прекъсване.

• Нисък температурен коефициент на препративност: Жицата не трябва значително да променя своята препративност, когато се нагрява или охлажда, което би повлияло на тока и яркостта й.

• Висок модул на Юнг и механична устойчивост: Жицата трябва да може да издържа механичния стрес, причинен от собствената си тежест и вибрация, без да се провеси или прекъсне.

• Достатъчна дългаемост: Жицата трябва да може да бъде изтеглена в много тънка жица, без да се прекъсне или разцепи.

• Възможност да бъде оформена в форма на нишка: Жицата трябва да може да бъде формирана в спирала или двойна спирала, което увеличава площта й и яркостта, без да увеличава дължината или препративността.

• Висока устойчивост към умора: Жицата трябва да може да издържа повторени цикли на нагряване и охлаждане, без да се ослаби или счупи.

Какви са видовете материали за лампени нишки?

През годините са използвани различни видове материали за изграждане на лампени нишки. Някои от тези материали са посочени по-долу:

Въглерод

Въглеродът е първият материал, използван за изграждане на лампени нишки от Едисън и други изобретатели. Той има висока точка на топене (3500°C), ниско парно налягане, висока препративност (1000-7000 µΩ-cm) и нисък температурен коефициент на препративност (-0.0002 до -0.0008 /°C). Обачно, той има и ниска устойчивост към окисление, висок термичен коефициент на разширяване (2 до 6 /K), ниска механична устойчивост и висок ефект на потъмняване на колбата. Въглеродните нишки имат ефективност от около 4.5 люмена на ват (lm/W) и работна температура до 1800°C.

Въглеродът се използва също и за изграждане на резистори, чувствителни на налягане, които се използват в автоматични регулатори на напрежение, и въглеродни четки, използвани в DC машини.

Тантал

Танталът е въведен като материал за лампена нишка от Вернер фон Болтон през 1902 година. Той има висока точка на топене (2900°C), ниско парно налягане, висока препративност (12.4 µΩ-cm) и нисък термичен коефициент на разширяване (6.5 /K). Обачно, той има ниска устойчивост към окисление, висок температурен коефициент на препративност (0.0036 /°C), ниска механична устойчивост и ниска ефективност (3.6 W/candle power). Танталовите нишки имат работна температура до 2000°C.

Танталът вече не се използва широко като материал за лампена нишка поради ниската си ефективност и редкостта му.

Волфрам

Волфрамът е най-често използваният материал за изграждане на лампени нишки днес. Той е използван за първи път от Уилям Д. Кулидж през 1910 година. Той има много висока точка на топене (3410°C), ниско парно налягане, висока препративност (5.65 µΩ-cm), висока механична устойчивост, висока устойчивост към окисление и нисък ефект на потъмняване на колбата. Обачно, той има висок температурен коефициент на препративност (0.005 /°C) и висок термичен коефициент на разширяване (4.3 /K). Волфрамовите нишки имат ефективност от около 12 lm/W и работна температура до 2500°C.

Волфрамът се използва също и като електрод в X-лъчеви труби и като контактен материал в определени приложения.

Как се правят лампени нишки?

Лампените нишки се правят чрез различни процеси, в зависимост от използвания материал. Някои от тези процеси са описани по-долу:

Въглерод

Въглеродните нишки се правят чрез карбонизация на органични материали, такива като бамбук, памучна нишка, целулоза и т.н., в инертна атмосфера при високи температури (1000-1500°C). Карбонизираният материал се изтяга в тънки жици и се завива в спирали.

Тантал