Matériau du filament de l'ampoule : Ce que vous devez savoir

Un filament d'ampoule est un fil fin qui s'illumine lorsque un courant électrique le traverse. C'est le composant principal d'une ampoule à incandescence, qui produit de la lumière en chauffant le filament à une température élevée. Le matériau du filament doit avoir certaines propriétés pour résister à la chaleur et produire une lumière brillante et stable. Dans cet article, nous explorerons l'histoire, les caractéristiques et les utilisations de différents matériaux de filament d'ampoule, ainsi que les avantages et inconvénients des ampoules à incandescence.

Qu'est-ce qu'une ampoule à incandescence ?

Une ampoule à incandescence est définie comme une source lumineuse électrique qui produit de la lumière en chauffant un filament de fil à une température élevée jusqu'à ce qu'il brille. Le filament est enfermé dans une enveloppe de verre contenant un vide ou un gaz inerte pour empêcher l'oxydation et l'évaporation du matériau du filament. L'ampoule est connectée à une source d'alimentation par deux contacts métalliques à la base, qui sont attachés à deux fils rigides qui maintiennent le filament en place.

Le principe de l'éclairage à incandescence a été découvert par de nombreux inventeurs au 18e et 19e siècles, mais la première ampoule à incandescence pratique et commercialement réussie a été développée par Thomas Edison en 1879. Il a utilisé un filament de bambou carbonisé qui a duré environ 1200 heures. Plus tard, il a amélioré son design en utilisant un filament de fil de coton carbonisé qui a duré environ 1500 heures.

Quelles sont les propriétés d'un bon matériau de filament d'ampoule ?

Le matériau du filament d'ampoule doit avoir les propriétés suivantes pour fonctionner correctement comme source lumineuse à incandescence :

• Point de fusion élevé : Le filament doit être capable de résister à des températures allant jusqu'à 2500°C sans fondre ou se rompre.

• Pression de vapeur faible : Le filament ne doit pas s'évaporer ou sublimer à haute température, ce qui noircirait l'ampoule et réduirait sa luminosité et son efficacité.

• Exempt d'oxydation : Le filament ne doit pas réagir avec l'oxygène ou d'autres gaz dans l'ampoule à haute température, ce qui causerait sa corrosion ou sa combustion.

• Résistivité élevée : Le filament doit avoir une résistance électrique élevée, ce qui signifie qu'il s'oppose au passage du courant électrique. Cela le fait chauffer et émettre de la lumière lorsqu'un courant le traverse.

• Coefficient thermique de dilatation faible : Le filament ne doit pas se dilater ou se contracter significativement lorsqu'il est chauffé ou refroidi, ce qui le déformerait ou le casserait.

• Coefficient de température de résistance faible : La résistance du filament ne doit pas varier significativement lorsqu'il est chauffé ou refroidi, ce qui affecterait son courant et sa luminosité.

• Module de Young élevé et résistance à la traction : Le filament doit être capable de résister à la contrainte mécanique causée par son propre poids et les vibrations sans fléchir ou se rompre.

• Ductilité suffisante : Le filament doit pouvoir être tiré en un fil très fin sans se casser ou se fissurer.

• Capacité à être converti en forme de filament : Le filament doit pouvoir être formé en bobine simple ou double, ce qui augmente sa surface et sa luminosité sans augmenter sa longueur ou sa résistance.

• Résistance élevée à la fatigue : Le filament doit pouvoir supporter des cycles de chauffage et de refroidissement répétés sans s'affaiblir ou se rompre.

Quels sont les types de matériaux de filament d'ampoule ?

Différents types de matériaux ont été utilisés au fil des ans pour fabriquer les filaments d'ampoules. Certains de ces matériaux sont listés ci-dessous :

Carbone

Le carbone était le premier matériau utilisé pour fabriquer les filaments d'ampoules par Edison et d'autres inventeurs. Il a un point de fusion élevé (3500°C), une pression de vapeur faible, une résistivité élevée (1000-7000 µΩ-cm) et un coefficient de température de résistance faible (-0.0002 à -0.0008 /°C). Cependant, il a également une faible résistance à l'oxydation, un coefficient thermique de dilatation élevé (2 à 6 /K), une faible résistance à la traction et un fort effet de noircissement sur l'ampoule. Les filaments de carbone ont une efficacité d'environ 4,5 lumens par watt (lm/W) et une température de fonctionnement pouvant atteindre 1800°C.

Le carbone est également utilisé pour fabriquer des résistances sensibles à la pression, qui sont utilisées dans les régulateurs de tension automatiques, et des balais de carbone, qui sont utilisés dans les machines à courant continu.

Tantale

Le tantale a été introduit comme matériau de filament d'ampoule par Werner von Bolton en 1902. Il a un point de fusion élevé (2900°C), une pression de vapeur faible, une résistivité élevée (12,4 µΩ-cm) et un faible coefficient thermique de dilatation (6,5 /K). Cependant, il a également une faible résistance à l'oxydation, un coefficient de température de résistance élevé (0,0036 /°C), une faible résistance à la traction et une faible efficacité (3,6 W/candle power). Les filaments de tantale ont une température de fonctionnement pouvant atteindre 2000°C.

Le tantale n'est plus largement utilisé comme matériau de filament d'ampoule en raison de son faible rendement et de sa rareté.

Tungstène

Le tungstène est le matériau le plus couramment utilisé pour fabriquer les filaments d'ampoules aujourd'hui. Il a été utilisé pour la première fois par William D. Coolidge en 1910. Il a un point de fusion très élevé (3410°C), une pression de vapeur faible, une résistivité élevée (5,65 µΩ-cm), une forte résistance à la traction, une forte résistance à l'oxydation et un faible effet de noircissement sur l'ampoule. Cependant, il a également un coefficient de température de résistance élevé (0,005 /°C) et un coefficient thermique de dilatation élevé (4,3 /K). Les filaments de tungstène ont une efficacité d'environ 12 lm/W et une température de fonctionnement pouvant atteindre 2500°C.

Le tungstène est également utilisé comme électrode dans les tubes à rayons X et comme matériau de contact électrique dans certaines applications.

Comment sont fabriqués les filaments d'ampoules ?

Les filaments d'ampoules sont fabriqués par divers procédés en fonction du matériau utilisé. Certains de ces procédés sont décrits ci-dessous :

Carbone

Les filaments de carbone sont fabriqués en carbonisant des matériaux organiques tels que le bambou, le fil de coton, la pâte de papier, etc., dans une atmosphère inerte à haute température (1000-1500°C). Le matériau carbonisé est ensuite étiré en fins filaments et enroulé en bobines.

Tantale

Les filaments de tantale sont fabriqués par des techniques de métallurgie des poudres. La poudre de tantale est mélangée avec un liant et pressée en barres ou en fil. Les barres ou les fils sont ensuite frittés à haute température (2000-2500°C) sous vide ou dans une atmosphère inerte. Les barres ou les fils frittés sont ensuite tirés en fins filaments et enroulés en bobines.

Tungstène

Les filaments de tungstène sont fabriqués par plusieurs étapes :

• L'oxyde de tungstène est extrait des minéraux de wolframite ou de scheelite et converti en acide tungstique ou en paratungstate d'ammonium.

• L'acide tungstique ou le paratungstate d'ammonium est réduit avec du gaz hydrogène pour former de la poudre de tungstène.

• La poudre de tungstène est mélangée avec un liant et pressée en barres ou en fil.

• Les barres ou les fils