Valonpudoksen kierron materiaali: Mitä sinun pitää tietää

Valonpään kuva on ohut kiila, joka kirkastaa, kun sähkövirta kulkee sen läpi. Se on kyynärvalon pääkomponentti, joka tuottaa valoa kuumennettaessa kiilaa korkeaan lämpötilaan. Kiilan materiaalin tulee olla tiettyjä ominaisuuksia, jotta se kestää lämpöä ja tuottaa kirkkaan ja vakavan valon. Tässä artikkelissa tutkimme eri valonkiilamateriaalien historiaa, ominaisuuksia ja käyttötarkoituksia sekä kyynärvalojen etuja ja haittoja.

Mitä on kyynärvalo?

Kyynärvalo määritellään sähkövaloksi, joka tuottaa valoa kuumennettaessa ohutta kiilaohjainta korkeaan lämpötilaan, kunnes se kirkastaa. Kiila on suljettuna lasikupissa, jossa on tyhjiö tai inerttikaasu, joka estää kiilamateriaalin hapettumisen ja lieteyden. Kyynär on yhdistetty virtalähteen kanssa kahdella metalliyhteydellä pohjassa, jotka ovat kiinnitetty kahdelle jäykkälle johtolle, jotka pitävät kiilaa paikoillaan.

Kyynärvalon periaate löydettiin monien keksijöiden toimesta 1700- ja 1800-luvulla, mutta ensimmäinen käytännöllinen ja kaupallisesti menestyvä kyynärvalo kehitettiin Thomas Edisonin toimesta vuonna 1879. Hän käytti hiilistynyttä bambuskiilaa, joka kesti noin 1200 tuntia. Myöhemmin hän paransi suunnitteluaan käyttämällä hiilistynyttä puuvillalangan kiilaa, joka kesti noin 1500 tuntia.

Mitä ovat hyvän kyynärkiilamateriaalin ominaisuudet?

Kyynärkiilamateriaalin tulee olla seuraavat ominaisuudet, jotta se toimii hyvin kyynärvalolähteenä:

• Korkea sulamispiste: Kiila tulee pystyä kestämään korkeita lämpötiloja, jopa 2500°C, ilman että se sulaa tai katkaisee.

• Alhainen höyrypaine: Kiila ei saa lieteytyä tai sublimoitua korkeilla lämpötiloilla, mikä aiheuttaisi kyynärn kirkastumisen ja vähentäisi sen kirkkauden ja tehokkuuden.

• Vapaa hapetus: Kiila ei saa reagoimaan happiin tai muihin kaasuihin kyynärn sisällä korkeilla lämpötiloilla, mikä aiheuttaisi sen räjähtymisen tai palamisen.

• Korkea resistiviteetti: Kiila tulee olla korkealla sähköisellä vastustuksella, mikä tarkoittaa, että se vastustaa sähkövirran virtausta. Tämä aiheuttaa sen lämmittymisen ja valon tuottamisen, kun virta kulkee sen läpi.

• Alhainen lämpölaajenemiskerroin: Kiila ei saa laajeta tai supistua merkittävästi, kun sitä kuumennetaan tai jäädytetään, mikä aiheuttaisi sen muotojen muuttumisen tai katkaisun.

• Alhainen lämpötilakertoimen vastustus: Kiila ei saa muuttaa merkittävästi vastustustaan, kun sitä kuumennetaan tai jäädytetään, mikä vaikuttaisi sen virran ja kirkkauteen.

• Korkea Youngin moduuli ja venymäkyky: Kiila tulee pystyä kestämään mekaanista stressiä, joka johtuu sen omasta painosta ja värähtelystä, ilman että se taipuu tai katkaisee.

• Riittävä vedeltyys: Kiila tulee pystyä vedettyä hyvin ohuksi langaksi ilman, että se katkaisee tai rikkoutuu.

• Kyky muodostaa kiilamuodon: Kiila tulee pystyä muotoiltua kierroksiksi tai kaksoiskierroksiksi, mikä lisää sen pinta-alaa ja kirkkautta ilman, että sen pituus tai vastus kasvaa.

• Korkea väsyntävastus: Kiila tulee pystyä kestämään toistuvia kuumennus- ja jäädytyskierroksia ilman, että se heikkenee tai epäonnistuu.

Mitä ovat kyynärkiilamateriaalien tyypit?

Erilaisia materiaaleja on käytetty kyynärkiilojen valmistukseen vuosien varrella. Jotkut näistä materiaaleista on listattu alla:

Hiili

Hiili oli ensimmäinen materiaali, jota Edison ja muut keksijät käyttivät kyynärkiilojen valmistukseen. Sillä on korkea sulamispiste (3500°C), alhainen höyrypaine, korkea resistiviteetti (1000-7000 µΩ-cm) ja alhainen lämpötilakertoimen vastustus (-0.0002 - -0.0008 /°C). Kuitenkin sillä on myös alhainen hapetustahan, korkea lämpölaajenemiskerroin (2 - 6 /K), alhainen venymäkyky ja korkea kyynärn mustuminen. Hiilikiekujen tehokkuus on noin 4,5 lumen per watt (lm/W) ja toimintalämpötila on jopa 1800°C.

Hiiliä käytetään myös painepersitiivisten vastustimien valmistukseen, jotka käytetään automaattisiin jännitteiden säätöihin, ja hiilikarvuissa, jotka käytetään väyhyjen koneissa.

Tantaali

Tantaalia esiteltiin kyynärkiilamateriaalina Werner von Boltonin toimesta vuonna 1902. Sillä on korkea sulamispiste (2900°C), alhainen höyrypaine, korkea resistiviteetti (12,4 µΩ-cm) ja alhainen lämpölaajenemiskerroin (6,5 /K). Kuitenkin sillä on myös alhainen hapetustahan, korkea lämpötilakertoimen vastustus (0,0036 /°C), alhainen venymäkyky ja alhainen tehokkuus (3,6 W/kerttuvoima). Tantaalikiilojen toimintalämpötila on jopa 2000°C.

Tantaalia ei enää laajasti käytetä kyynärkiilamateriaalina sen alhaisen tehokkuuden ja harvinaisuuden vuoksi.

Vaskeli

Vaskeli on yleisin materiaali, jota käytetään nykyään kyynärkiilojen valmistukseen. Sitä käytettiin ensimmäisen kerran William D. Coolidgein toimesta vuonna 1910. Sillä on erittäin korkea sulamispiste (3410°C), alhainen höyrypaine, korkea resistiviteetti (5,65 µΩ-cm), korkea venymäkyky, korkea hapetustahan ja alhainen kyynärn mustuminen. Kuitenkin sillä on myös korkea lämpötilakertoimen vastustus (0,005 /°C) ja korkea lämpölaajenemiskerroin (4,3 /K). Vaskelikiilojen tehokkuus on noin 12 lm/W ja toimintalämpötila on jopa 2500°C.

Vaskelia käytetään myös anodeena röntgenputkissa ja sähkökontaktimateriaalina tietyissä sovelluksissa.

Miten kyynärkiilot valmistetaan?

Kyynärkiilot valmistetaan eri prosesseilla riippuen käytetystä materiaalista. Joitakin näistä prosesseista on kuvattu alla:

Hiili

Hiilikiekujen valmistetaan hiilistämällä orgaanisia materiaaleja, kuten bambu, puuvillalanka, paperipu, jne., inerttisyötteessä korkeilla lämpötiloilla (1000-1500°C). Hiilistetty materiaali venytetään sitten ohuiksi langaksi ja kierretään kierroksiksi.