Material del filamento de la bombilla: Què has de saber
El fil de la bombilla és un fil fin que es llumina quan una corrent elèctrica passa a través seu. És el component principal d'una bombilla incandescent, que produeix llum escalfant el fil a una temperatura elevada. El material del fil ha de tenir certes propietats per resistir el calor i produir una llum brillant i estable. En aquest article, explorarem l'història, les característiques i els usos dels diferents materials de fil de bombilla, així com els avantatges i desavantatges de les bombilles incandescents.
Què és una bombilla incandescent?
Una bombilla incandescent es defineix com una llum elèctrica que produeix llum escalfant un fil metàl·lic a una temperatura elevada fins que es llumina. El fil està enclos en una ampolla de vidre que conté un buit o un gas inerte per prevenir l'oxidació i l'evaporació del material del fil. La bombilla està connectada a una font d'alimentació per mitjà de dos contactes metàl·lics a la base, que estan atacats a dos fils rígids que mantenen el fil en el seu lloc.
El principi de l'il·luminació incandescent va ser descobert per molts inventors als segles XVIII i XIX, però la primera bombilla incandescent pràctica i comercialment exitosa va ser desenvolupada per Thomas Edison el 1879. Va utilitzar un fil de bambú carbonitzat que durava uns 1200 hores. Més tard, va millorar el seu disseny utilitzant un fil de fil de cotó carbonitzat que durava uns 1500 hores.
Quines són les propietats d'un bon material de fil de bombilla?
El material del fil de la bombilla ha de tenir les següents propietats per funcionar bé com a font d'il·luminació incandescent:
Punt de fusió alt: El fil ha de poder suportar temperatures de fins a 2500°C sense fondre's ni trencar-se.
Baixa pressió de vapor: El fil no ha de vaporitzar-se ni sublimar-se a temperatures altes, ja que això faria que la bombilla s'enfosquissi i reduïsca la seva brillantor i eficiència.
Lliure d'oxidació: El fil no ha de reaccionar amb l'oxigen o altres gasos a la bombilla a temperatures altes, ja que això faria que s'oxidés o s'apagés.
Alta resistivitat: El fil ha de tenir una alta resistència elèctrica, el que significa que oposa el flux de la corrent elèctrica. Això provoca que es calenti i emeti llum quan una corrent passa a través seu.
Baix coeficient tèrmic d'expansió: El fil no ha de dilatar-se ni contractar-se significativament quan es calenta o es refreda, ja que això faria que es deformés o trencés.
Baix coeficient de temperatura de resistència: El fil no ha de canviar la seva resistència significativament quan es calenta o es refreda, ja que això afectaria la seva corrent i brillantor.
Alt mòdul de Young i resistència a la tracció: El fil ha de poder suportar l'estress mecànic causat pel seu propi pes i vibració sense abatir-se o trencar-se.
Suficient ductilitat: El fil ha de poder estirar-se en un fil molt fin sense trencar-se o rajolar-se.
Capacitat de convertir-se en forma de fil: El fil ha de poder formar-se en una bobina o doble bobina, el que augmenta la seva superfície i brillantor sense augmentar la seva longitud o resistència.
Alta resistència a la fatiga: El fil ha de poder suportar cicles repetits de calentament i refredament sense debilitar-se o fallar.
Quins són els tipus de materials de fil de bombilla?
Diferents tipus de materials han estat utilitzats per fer fils de bombilla a lo llarg dels anys. Alguns d'aquests materials es llisten a continuació:
Carboni
El carboni va ser el primer material utilitzat per fer fils de bombilla per Edison i altres inventors. Té un punt de fusió alt (3500°C), baixa pressió de vapor, alta resistivitat (1000-7000 µΩ-cm) i baix coeficient de temperatura de resistència (-0.0002 a -0.0008 /°C). No obstant això, també té baixa resistència a l'oxidació, un alt coeficient tèrmic d'expansió (2 a 6 /K), baixa resistència a la tracció i un gran efecte d'enfoscament a la bombilla. Els fils de carboni tenen una eficiència d'uns 4,5 lumens per watt (lm/W) i una temperatura d'operació de fins a 1800°C.
El carboni també s'utilitza per fer resistències sensibles a la pressió, que s'utilitzen en reguladors de tensió automàtics, i pincels de carboni, que s'utilitzen en màquines DC.
Tàntal
El tàntal va ser introduït com a material de fil de bombilla per Werner von Bolton el 1902. Té un punt de fusió alt (2900°C), baixa pressió de vapor, alta resistivitat (12,4 µΩ-cm) i baix coeficient tèrmic d'expansió (6,5 /K). No obstant això, també té baixa resistència a l'oxidació, alt coeficient de temperatura de resistència (0,0036 /°C), baixa resistència a la tracció i baixa eficiència (3,6 W/potència de candela). Els fils de tàntal tenen una temperatura d'operació de fins a 2000°C.
El tàntal no es fa servir gairebé com a material de fil de bombilla avui en dia degut a la seva baixa eficiència i escassetat.
Tungstè
El tungstè és el material més comúment utilitzat per fer fils de bombilla avui en dia. Va ser utilitzat per primera vegada per William D. Coolidge el 1910. Té un punt de fusió molt alt (3410°C), baixa pressió de vapor, alta resistivitat (5,65 µΩ-cm), alta resistència a la tracció, alta resistència a l'oxidació i baix efecte d'enfoscament a la bombilla. No obstant això, també té un alt coeficient de temperatura de resistència (0,005 /°C) i un alt coeficient tèrmic d'expansió (4,3 /K). Els fils de tungstè tenen una eficiència d'uns 12 lm/W i una temperatura d'operació de fins a 2500°C.
El tungstè també s'utilitza com a electro en tubs de raigs X i com a material de contacte elèctric en certes aplicacions.
Com es fan els fils de bombilla?
Els fils de bombilla es fan per diversos processos depenent del material utilitzat. Alguns d'aquests processos es descriuen a continuació:
Carboni
Els fils de carboni es fan carbonitzant materials orgànics com el bambú, el fil de cotó, la pasta de paper, etc., en un ambient inert a temperatures altes (1000-1500°C). El material carbonitzat es llavors estira en fils fins i s'enrotlla en bobines.
Tàntal
Els fils de tàntal es fan mitjançant tècniques de metallurgia de pols. El pols de tàntal es mescla amb un aglutinant i es pren en barres o fils. Les barres o fils es llavors sinteritzen a temperatures altes (2000-2500°C) en un buit o ambient de gas inerte. Les barres o fils sinteritzades es llavors estiren en fils fins i s'enrotllen en bobines.
Tungstè
Els fils de tungstè es fan en diversos passos:
Es extreu el mineral de tungstè del wolframita o la scheelita i es converteix en àcid tungstic o para tungstat d'ammoni.
L'àcid tungstic o el para tungstat d'ammoni es redueix amb gas hidrogen per formar pols de tungstè.
El pols de tungstè es mescla amb un aglut
