Glühfadenmaterial: Was Sie wissen müssen

Eine Glühfadenlampe ist ein dünnes Drahtstück, das leuchtet, wenn ein elektrischer Strom durch es fließt. Es ist die Hauptkomponente einer Glühlampe, die Licht erzeugt, indem sie den Glühfaden auf eine hohe Temperatur erhitzt. Das Material des Glühfadens muss bestimmte Eigenschaften aufweisen, um die Hitze zu widerstehen und ein helleres und stabileres Licht zu erzeugen. In diesem Artikel werden wir die Geschichte, Eigenschaften und Anwendungen verschiedener Glühfadenmaterialien sowie die Vor- und Nachteile von Glühlampen untersuchen.

Was ist eine Glühlampe?

Eine Glühlampe wird definiert als eine elektrische Lampe, die Licht erzeugt, indem sie einen Drahtglühfaden auf eine hohe Temperatur erhitzt, bis er glüht. Der Glühfaden ist in einer Glasbirne eingeschlossen, die entweder ein Vakuum oder ein Edelgas enthält, um die Oxidation und Verdunstung des Glühfadenmaterials zu verhindern. Die Birne ist über zwei Metallkontakte an der Basis mit einer Stromquelle verbunden, die an zwei starreren Drähten befestigt sind, die den Glühfaden festhalten.

Das Prinzip der Glühlampenbeleuchtung wurde im 18. und 19. Jahrhundert von vielen Erfindern entdeckt, aber die erste praktische und kommerziell erfolgreiche Glühlampe wurde 1879 von Thomas Edison entwickelt. Er verwendete einen kohlengeschwärzten Bambusglühfaden, der etwa 1200 Stunden hielt. Später verbesserte er sein Design, indem er einen kohlengeschwärzten Baumwollfäden-Glühfaden verwendete, der etwa 1500 Stunden hielt.

Welche Eigenschaften muss ein gutes Glühfadenmaterial haben?

Das Glühfadenmaterial muss die folgenden Eigenschaften aufweisen, um als Glühlampe gut zu funktionieren:

• Hoher Schmelzpunkt: Der Glühfaden muss Temperaturen von bis zu 2500°C ohne Schmelzen oder Brechen aushalten können.

• Niedriger Dampfdruck: Der Glühfaden darf bei hohen Temperaturen nicht verdampfen oder sublimieren, was dazu führen würde, dass die Birne schwarz wird und ihr Leuchtkraft und Effizienz reduziert.

• Frei von Oxidation: Der Glühfaden darf sich bei hohen Temperaturen nicht mit Sauerstoff oder anderen Gasen in der Birne reagieren, was zur Korrosion oder dem Ausbrennen führen würde.

• Hohe Spezifischer Widerstand: Der Glühfaden muss einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen, was bedeutet, dass er den Stromfluss behindert. Dies führt dazu, dass er sich aufheizt und Licht emittiert, wenn ein Strom durch ihn fließt.

• Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient: Der Glühfaden darf sich beim Heizen oder Kühlen nicht signifikant ausdehnen oder zusammenziehen, was zu Deformationen oder Brüchen führen würde.

• Niedriger temperaturabhängiger Widerstandskoeffizient: Der Glühfaden darf seinen Widerstand beim Heizen oder Kühlen nicht signifikant ändern, was seine Stromstärke und Helligkeit beeinflussen würde.

• Hoher Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit: Der Glühfaden muss mechanischen Belastungen, die durch sein eigenes Gewicht und Vibrationen verursacht werden, standhalten können, ohne zu hängen oder zu brechen.

• Ausreichende Zähigkeit: Der Glühfaden muss in einen sehr dünnen Draht gezogen werden können, ohne zu brechen oder zu rissig zu werden.

• Fähigkeit, in die Form eines Glühfadens geformt zu werden: Der Glühfaden muss in eine Spirale oder eine Doppelspirale geformt werden können, was seine Oberfläche und Helligkeit erhöht, ohne seine Länge oder den Widerstand zu erhöhen.

• Hohe Ermüdungsbeständigkeit: Der Glühfaden muss wiederholten Heiz- und Kühlzyklen standhalten können, ohne zu schwächen oder auszufallen.

Welche Arten von Glühfadenmaterialien gibt es?

Über die Jahre hinweg wurden verschiedene Materialien für die Herstellung von Glühfaden verwendet. Einige dieser Materialien sind unten aufgelistet:

Kohlenstoff

Kohlenstoff war das erste Material, das von Edison und anderen Erfindern für Glühfaden verwendet wurde. Er hat einen hohen Schmelzpunkt (3500°C), einen niedrigen Dampfdruck, einen hohen spezifischen Widerstand (1000-7000 µΩ-cm) und einen niedrigen temperaturabhängigen Widerstandskoeffizient (-0.0002 bis -0.0008 /°C). Allerdings hat er auch eine geringe Oxidationsbeständigkeit, einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient (2 bis 6 /K), eine geringe Zugfestigkeit und einen hohen Verfärbungseffekt auf die Birne. Kohlenstoffglühfäden haben eine Effizienz von etwa 4,5 Lumen pro Watt (lm/W) und eine Betriebstemperatur von bis zu 1800°C.

Kohlenstoff wird auch für drucksensitive Widerstände verwendet, die in automatischen Spannungsreglern und Kohlenstoffbürsten, die in Gleichstrommaschinen verwendet werden.

Tantal

Tantal wurde 1902 von Werner von Bolton als Glühfadenmaterial eingeführt. Es hat einen hohen Schmelzpunkt (2900°C), einen niedrigen Dampfdruck, einen hohen spezifischen Widerstand (12,4 µΩ-cm) und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient (6,5 /K). Allerdings hat es auch eine geringe Oxidationsbeständigkeit, einen hohen temperaturabhängigen Widerstandskoeffizient (0,0036 /°C), eine geringe Zugfestigkeit und eine geringe Effizienz (3,6 W/Lichtstärke). Tantalglühfäden haben eine Betriebstemperatur von bis zu 2000°C.

Tantal wird heute nicht mehr weit verbreitet als Glühfadenmaterial verwendet, aufgrund seiner geringen Effizienz und Seltenheit.

Wolfram

Wolfram ist das am häufigsten verwendete Material für Glühfäden heute. Es wurde 1910 erstmals von William D. Coolidge verwendet. Es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt (3410°C), einen niedrigen Dampfdruck, einen hohen spezifischen Widerstand (5,65 µΩ-cm), eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und einen geringen Verfärbungseffekt auf die Birne. Allerdings hat es auch einen hohen temperaturabhängigen Widerstandskoeffizient (0,005 /°C) und einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient (4,3 /K). Wolframglühfäden haben eine Effizienz von etwa 12 lm/W und eine Betriebstemperatur von bis zu 2500°C.

Wolfram wird auch als Elektrode in Röntgenröhren und als elektrisches Kontaktmaterial in bestimmten Anwendungen verwendet.

Wie werden Glühfäden hergestellt?

Glühfäden werden je nach verwendeten Materialien durch verschiedene Prozesse hergestellt. Einige dieser Prozesse werden unten beschrieben:

Kohlenstoff

Kohlenstoffglühfäden werden durch Verkohlen organischer Materialien wie Bambus, Baumwollfäden, Papierpappe usw. in einem inertem Atmosphäre bei hohen Temperaturen (1000-1500°C) hergestellt. Das verkohlte Material wird dann in dünne Drähte gezogen und in Spiralen gewickelt.

Tantal

Tantalglühfäden