Glødelampe-trådmaterial: Hvad du skal vide
En pæretråd er en tynd tråd, der gløder, når en elektrisk strøm passerer gennem den. Den er det vigtigste komponent i en glødende lyspære, som producerer lys ved at opvarme tråden til en høj temperatur. Trådematerialet skal have bestemte egenskaber for at klare varmen og producere et klart og stabil lys. I denne artikel vil vi udforske historien, karakteristika og anvendelser af forskellige pæretrådmateriale, samt fordele og ulemper ved glødende lyspærer.
Hvad er en glødende lyspære?
En glødende lyspære defineres som et elektrisk lys, der producerer lys ved at opvarme en tråd til en høj temperatur, indtil den gløder. Tråden er indkapslet i en glasbol, der indeholder et vakuum eller et inert gas for at forhindre oksidation og evaporation af trådematerialet. Bolten er forbundet til en strømforsyning via to metalkontakter i bunden, som er fastgjort til to stive tråde, der holder tråden på plads.
Princippet bag glødende belysning blev opdaget af mange opfindere i det 18. og 19. århundrede, men den første praktiske og kommercielt vellykkede glødende lyspære blev udviklet af Thomas Edison i 1879. Han brugte en karboniseret bambutråd, der holdte i cirka 1200 timer. Senere forbedrede han sin design ved at bruge en karboniseret bomuldstråd, der holdte i cirka 1500 timer.
Hvilke egenskaber har et godt pæretrådmateriale?
Trådematerialet i en pære skal have følgende egenskaber for at fungere godt som en glødende lyskilde:
Høj smeltepunkt: Tråden skal kunne tåle temperaturer op til 2500°C uden at smelte eller bryde.
Lav damptryk: Tråden må ikke evaporere eller sublimere ved høje temperaturer, da dette ville forurene bolten og reducere dens lysstyrke og effektivitet.
Frit for oxidation: Tråden må ikke reagere med ilt eller andre gasser i bolten ved høje temperaturer, da dette ville forårsage korrosion eller udburn.
Høj spændingsmodstand: Tråden skal have en høj elektrisk modstand, hvilket betyder, at den modarbejder strømfloden. Dette får den til at opvarme og udsende lys, når en strøm passerer gennem den.
Lav termisk udvidelseskoefficient: Tråden må ikke udvides eller kontrahere betydeligt, når den opvarmes eller køles, da dette ville få den til at deformere eller bryde.
Lav temperaturkoefficient for modstand: Trådens modstand må ikke ændre sig betydeligt, når den opvarmes eller køles, da dette ville påvirke dens strøm og lysstyrke.
Høj Young's modulus og trækstyrke: Tråden skal kunne tåle den mekaniske stress, der skyldes dens egen vægt og vibration, uden at slappe eller bryde.
Tilstrækkelig duktilitet: Tråden skal kunne trækkes ud til en meget tynd tråd uden at bryde eller sprække.
Evne til at formes til en trådform: Tråden skal kunne formes til en spole eller en dobbeltspole, hvilket øger dens overfladeareal og lysstyrke uden at øge dens længde eller modstand.
Høj træthedsmodstand: Tråden skal kunne holde ude gentagne opvarmninger og kølingscyklusser uden at svække eller mislykkes.
Hvilke typer pæretrådmateriale findes der?
Forskellige materialer er blevet brugt til at lave pæretråde gennem årene. Nogle af disse materialer er nævnt nedenfor:
Kul
Kul var det første materiale, der blev brugt til at lave pæretråde af Edison og andre opfindere. Det har et højt smeltepunkt (3500°C), lavt damptryk, høj spændingsmodstand (1000-7000 µΩ-cm) og lav temperaturkoefficient for modstand (-0.0002 til -0.0008 /°C). Dog har det også lav oxidationssikkerhed, høj termisk udvidelseskoefficient (2 til 6 /K), lav trækstyrke og høj sortningsvirkning på bolten. Kultråde har en effektivitet på cirka 4,5 lumen per watt (lm/W) og en driftstemperatur op til 1800°C.
Kul bliver også brugt til at lave tryk-sensitiv modstandere, der bruges i automatiske spændingsreguleringer, og kulborster, der bruges i DC-maskiner.
Tantal
Tantal blev introduceret som pæretrådmateriale af Werner von Bolton i 1902. Det har et højt smeltepunkt (2900°C), lavt damptryk, høj spændingsmodstand (12,4 µΩ-cm) og lav termisk udvidelseskoefficient (6,5 /K). Dog har det også lav oxidationssikkerhed, høj temperaturkoefficient for modstand (0,0036 /°C), lav trækstyrke og lav effektivitet (3,6 W/candle power). Tantaltråde har en driftstemperatur op til 2000°C.
Tantal bruges ikke længere bredt som pæretrådmateriale på grund af dets lav effektivitet og mangel.
Wolfram
Wolfram er det mest almindelige materiale, der bruges til at lave pæretråde i dag. Det blev først brugt af William D. Coolidge i 1910. Det har et meget højt smeltepunkt (3410°C), lavt damptryk, høj spændingsmodstand (5,65 µΩ-cm), høj trækstyrke, høj oxidationssikkerhed, og lav sortningsvirkning på bolten. Dog har det også høj temperaturkoefficient for modstand (0,005 /°C) og høj termisk udvidelseskoefficient (4,3 /K). Wolframtråde har en effektivitet på cirka 12 lm/W og en driftstemperatur op til 2500°C.
Wolfram bruges også som elektrod i røntgenrør og som elektrisk kontaktmateriale i visse anvendelser.
Hvordan laves pæretråde?
Pæretråde laves ved forskellige processer, afhængigt af det brugte materiale. Nogle af disse processer beskrives nedenfor:
Kul
Kultråde laves ved at karbonisere organiske materialer som bambus, bomuldstråd, papirpulp osv., i et inert atmosfære ved høje temperaturer (1000-1500°C). Det karboniserede materiale trækkes derefter ud til tynde tråde og vindes op i spoler.
Tantal
Tantaltråde laves ved pulvermetallurgiske teknikker. Tantal pulver blandes med en binder og presses til stangen eller tråde. Stangene eller træderne sinteres derefter ved høje temperaturer (2000-2500°C) i et vakuum eller inert gasatmosfære. De sinterede stange eller tråde trækkes derefter ud til tynde tråde og vindes op i spoler.
