چه که باید درباره مواد سیم پرتو لامپ بدانید
چراغی که معمولاً از سیم ریز استفاده می‌شود، زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند، درخشیده می‌شود. این قسمت اصلی یک چراغ برقی است که با گرم کردن سیم تا دمای بالا نور تولید می‌کند. مواد سازنده سیم باید خصوصیاتی داشته باشند تا بتواند در برابر گرما مقاومت کرده و نور روشن و پایدار تولید کند. در این مقاله به تاریخچه، خصوصیات و کاربردهای مختلف مواد سیم چراغ برقی پرداخته و مزایا و معایب چراغ‌های برقی را بررسی خواهیم کرد.
چراغ برقی چیست؟
چراغ برقی به عنوان یک منبع نوری تعریف می‌شود که با گرم کردن یک سیم فیلامنت تا دمای بالا نور تولید می‌کند. سیم فیلامنت در یک گلوله شیشه‌ای قرار دارد که شامل خلاء یا گاز غیرreaktif است تا از اکسیداسیون و تبخیر ماده سیم جلوگیری شود. گلوله به یک منبع تغذیه با دو تماس فلزی در پایه متصل است که به دو سیم محکم متصل هستند که سیم فیلامنت را در جای خود نگه می‌دارند.
اصل چراغ‌های برقی توسط بسیاری از مخترعان در قرن هجدهم و نوزدهم کشف شد، اما اولین چراغ برقی عملی و تجاری موفق توسط توماس ادیسون در سال ۱۸۷۹ توسعه یافت. او از یک فیلامنت چوبی کربنی شده استفاده کرد که حدود ۱۲۰۰ ساعت طول عمر داشت. بعداً، او طراحی خود را با استفاده از یک فیلامنت پارچه‌ای کربنی شده بهبود بخشید که حدود ۱۵۰۰ ساعت طول عمر داشت.
خصوصیات یک ماده خوب سیم فیلامنت چیست؟
ماده سیم فیلامنت باید خصوصیات زیر را داشته باشد تا به عنوان یک منبع نوری برقی به خوبی عمل کند:
نقطه ذوب بالا: سیم باید بتواند در دمای تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد بدون ذوب یا شکستن مقاومت کند.
فشار بخار پایین: سیم نباید در دماهای بالا تبخیر یا sublimate شود، که باعث تاری و کاهش روشنایی و کارایی چراغ می‌شود.
بدون اکسیداسیون: سیم نباید در برابر اکسیژن یا گازهای دیگر در چراغ در دماهای بالا واکنش نشان دهد، که باعث خوردگی یا خاموش شدن آن می‌شود.
مقاومت الکتریکی بالا: سیم باید مقاومت الکتریکی بالایی داشته باشد، که به معنای مخالفت با جریان الکتریکی است. این باعث می‌شود که گرم شده و نور تابیده کند وقتی که جریان از آن عبور می‌کند.
ضریب انقباض حرارتی پایین: سیم نباید در دمای بالا یا پایین بطور قابل توجهی انبساط یا انقباض کند، که باعث تغییر شکل یا شکستن آن می‌شود.
ضریب مقاومت حرارتی پایین: سیم نباید در دمای بالا یا پایین مقاومتش به طور قابل توجهی تغییر کند، که تاثیر بر جریان و روشنایی آن دارد.
مدول یانگ و مقاومت کششی بالا: سیم باید بتواند در برابر تنش مکانیکی ناشی از وزن خود و لرزش مقاومت کند بدون اینکه سقوط یا شکسته شود.
آبکاری کافی: سیم باید بتواند به صورت یک سیم بسیار ریز کشیده شود بدون اینکه شکسته یا پاره شود.
قابلیت تبدیل به شکل سیم: سیم باید بتواند به یک لوله یا دو لوله تبدیل شود که سطح آن را افزایش می‌دهد و روشنایی آن را بدون افزایش طول یا مقاومت آن افزایش می‌دهد.
مقاومت خستگی بالا: سیم باید بتواند در برابر چرخه‌های گرم و سرد مکرر مقاومت کند بدون ضعف یا خرابی.
انواع مواد سیم فیلامنت چراغ چیست؟
مواد مختلفی در طول سال‌ها برای ساخت سیم فیلامنت چراغ استفاده شده است. برخی از این مواد در زیر فهرست شده‌اند:
کربن
کربن اولین ماده‌ای بود که توسط ادیسون و مخترعان دیگر برای ساخت سیم فیلامنت چراغ استفاده شد. این ماده نقطه ذوب بالا (۳۵۰۰ درجه سانتیگراد)، فشار بخار پایین، مقاومت الکتریکی بالا (۱۰۰۰-۷۰۰۰ میکرو اهم-سانتیمتر) و ضریب مقاومت حرارتی پایین (-۰.۰۰۰۲ تا -۰.۰۰۰۸ / درجه سانتیگراد) دارد. با این حال، این ماده مقاومت اکسیداسیون پایین، ضریب انقباض حرارتی بالا (۲ تا ۶ / K)، مقاومت کششی پایین و اثر تاری بالا بر چراغ دارد. سیم‌های فیلامنت کربن کارایی حدود ۴.۵ لمپر بر وات (lm/W) و دمای عملکرد تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد دارند.
کربن همچنین برای ساخت مقاومت‌های حساس به فشار استفاده می‌شود که در تنظیمات ولتاژ خودکار استفاده می‌شوند و فرش‌های کربنی که در ماشین‌های DC استفاده می‌شوند.
تانالتال
تانالتال در سال ۱۹۰۲ توسط ورنر فون بولتون به عنوان ماده سیم فیلامنت چراغ معرفی شد. این ماده نقطه ذوب بالا (۲۹۰۰ درجه سانتیگراد)، فشار بخار پایین، مقاومت الکتریکی بالا (۱۲.۴ میکرو اهم-سانتیمتر) و ضریب انقباض حرارتی پایین (۶.۵ / K) دارد. با این حال، این ماده مقاومت اکسیداسیون پایین، ضریب مقاومت حرارتی بالا (۰.۰۰۳۶ / درجه سانتیگراد)، مقاومت کششی پایین و کارایی پایین (۳.۶ وات/قدرت شمع) دارد. سیم‌های فیلامنت تانالتال دمای عملکرد تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد دارند.
تانالتال به دلیل کارایی پایین و کمبود آن به عنوان ماده سیم فیلامنت چراغ دیگر مورد استفاده گسترده قرار نمی‌گیرد.
تنگستن
تنگستن ماده‌ای است که امروزه به طور گسترده‌ای برای ساخت سیم فیلامنت چراغ استفاده می‌شود. این ماده اولین بار توسط ویلیام دی کولیج در سال ۱۹۱۰ استفاده شد. تنگستن نقطه ذوب بسیار بالا (۳۴۱۰ درجه سانتیگراد)، فشار بخار پایین، مقاومت الکتریکی بالا (۵.۶۵ میکرو اهم-سانتیمتر)، مقاومت کششی بالا، مقاومت اکسیداسیون بالا و اثر تاری پایین بر چراغ دارد. با این حال، این ماده ضریب مقاومت حرارتی بالا (۰.۰۰۵ / درجه سانتیگراد) و ضریب انقباض حرارتی بالا (۴.۳ / K) دارد. سیم‌های فیلامنت تنگستن کارایی حدود ۱۲ lm/W و دمای عملکرد تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد دارند.
تنگستن همچنین به عنوان الکترود در لوله‌های X-ray و به عنوان ماده تماس الکتریکی در برخی کاربردها استفاده می‌شود.
چگونه سیم‌های فیلامنت چراغ ساخته می‌شوند؟
سیم‌های فیلامنت چراغ با فرآیندهای مختلفی ساخته می‌شوند که بستگی به ماده استفاده شده دارد. برخی از این فرآیندها در زیر توضیح داده شده‌اند:
کربن
سیم‌های فیلامنت کربن با کربن‌سازی مواد آلی مانند چوب بامبو، نخ پنبه، پاپیه ماشینی و غیره در یک جو غیرreaktif در دماهای بالا (۱۰۰۰-۱۵۰۰ درجه سانتیگراد) ساخته می‌شوند. ماده کربن‌سازی شده سپس به سیم‌های ریز کشیده شده و به صورت لوله‌هایی پیچیده می‌شود.
