Material do filamento da bombilla: o que necesitas saber
O filamento dunha bombilla é un fío fino que brilla cando unha corrente eléctrica pasa por el. É o compoñente principal dunha bombilla incandescente, que produce luz calentando o filamento ata unha alta temperatura. O material do filamento debe ter certas propiedades para resistir o calor e producir unha luz brillante e estable. Neste artigo, exploraremos a historia, as características e os usos de diferentes materiais de filamento de bombilla, así como as vantaxes e desvantaxes das bombillas incandescentes.
Que é unha bombilla incandescente?
Unha bombilla incandescente defínese como unha luz eléctrica que produce luz calentando un fío filamento ata unha alta temperatura até que este brille. O filamento está encerrado nunha bombilla de vidro que contén un vacío ou un gas inerte para evitar a oxidación e a evaporación do material do filamento. A bombilla está conectada a unha fonte de alimentación por dous contactos metálicos na base, que están adxuntos a dous fíos rígidos que mantén o filamento no seu lugar.
O principio da iluminación incandescente foi descuberto por moitos inventores nos séculos XVIII e XIX, pero a primeira bombilla incandescente práctica e comercialmente exitosa foi desenvolvida por Thomas Edison en 1879. Usou un filamento de bambú carbonizado que durou aproximadamente 1200 horas. Posteriormente, mellorou o seu deseño usando un filamento de hilo de algodón carbonizado que durou aproximadamente 1500 horas.
Que propiedades debe ter un bo material de filamento de bombilla?
O material do filamento da bombilla debe ter as seguintes propiedades para funcionar ben como fonte de luz incandescente:
Punto de fusión alto: O filamento debe ser capaz de resistir temperaturas de ata 2500°C sen fundirse ou romperse.
Baixa presión de vapor: O filamento non debe evaporarse ou sublimarse a altas temperaturas, o que causaría que a bombilla escurecese e reducise a súa luminosidade e eficiencia.
Libre de oxidación: O filamento non debe reaccionar con oxíxeno ou outros gases na bombilla a altas temperaturas, o que causaría que se corroese ou quemasen.
Alta resistividad: O filamento debe ter unha alta resistencia eléctrica, o que significa que opónse ao fluxo da corrente eléctrica. Isto fai que se aqueza e emita luz cando pasa unha corrente por el.
Baixo coeficiente térmico de expansión: O filamento non debe expandirse ou contraerse significativamente cando se aquece ou enfría, o que causaría que se deformase ou rompese.
Baixo coeficiente de temperatura de resistencia: O filamento non debe cambiar significativamente a súa resistencia cando se aquece ou enfría, o que afectaría a súa corrente e luminosidade.
Alto módulo de Young e resistencia a tracción: O filamento debe ser capaz de resistir a tensión mecánica causada polo seu propio peso e vibración sen afundirse ou partirse.
Suficiente ductilidade: O filamento debe ser capaz de ser estirado nun fío moi fino sen romperse ou craquelarse.
Capacidade de ser convertido nunha forma de filamento: O filamento debe ser capaz de ser formado nunha espiral ou unha dobre espiral, o que aumenta a súa superficie e luminosidade sen aumentar a súa lonxitude ou resistencia.
Alta resistencia á fadiga: O filamento debe ser capaz de suportar ciclos repetidos de aquecemento e enfríamento sen debilitarse ou fallar.
Que tipos de materiais de filamento de bombilla existen?
Ao longo dos anos, diferentes tipos de materiais foron utilizados para facer filamentos de bombilla. Algunhas destas substancias están listadas a continuación:
Carbono
O carbono foi o primeiro material utilizado para facer filamentos de bombilla por Edison e outros inventores. Ten un punto de fusión alto (3500°C), baixa presión de vapor, alta resistividade (1000-7000 µΩ-cm) e baixo coeficiente de temperatura de resistencia (-0,0002 a -0,0008 /°C). No entanto, tamén ten baixa resistencia á oxidación, un alto coeficiente térmico de expansión (2 a 6 /K), baixa resistencia a tracción e un alto efecto de escurecemento na bombilla. Os filamentos de carbono teñen unha eficiencia de aproximadamente 4,5 lúmens por vatio (lm/W) e unha temperatura de funcionamento de ata 1800°C.
O carbono tamén se utiliza para facer resistencias sensibles á presión, que se utilizan en reguladores automáticos de voltage, e escovas de carbono, que se utilizan en máquinas DC.
Tántalo
O tántalo foi introducido como material de filamento de bombilla por Werner von Bolton en 1902. Ten un punto de fusión alto (2900°C), baixa presión de vapor, alta resistividade (12,4 µΩ-cm) e baixo coeficiente térmico de expansión (6,5 /K). No entanto, tamén ten baixa resistencia á oxidación, alto coeficiente de temperatura de resistencia (0,0036 /°C), baixa resistencia a tracción e baixa eficiencia (3,6 W/candela). Os filamentos de tántalo teñen unha temperatura de funcionamento de ata 2000°C.
O tántalo non se utiliza amplamente como material de filamento de bombilla debido á súa baixa eficiencia e escasez.
Wolframio
O wolframio é o material máis comúnmente utilizado para facer filamentos de bombilla hoxe en día. Foi usado por primeira vez por William D. Coolidge en 1910. Ten un punto de fusión moi alto (3410°C), baixa presión de vapor, alta resistividade (5,65 µΩ-cm), alta resistencia a tracción, alta resistencia á oxidación e baixo efecto de escurecemento na bombilla. No entanto, tamén ten un alto coeficiente de temperatura de resistencia (0,005 /°C) e un alto coeficiente térmico de expansión (4,3 /K). Os filamentos de wolframio teñen unha eficiencia de aproximadamente 12 lm/W e unha temperatura de funcionamento de ata 2500°C.
O wolframio tamén se utiliza como electrodo en tubos de raio-X e como material de contacto eléctrico en determinadas aplicacións.
Como se fan os filamentos de bombilla?
Os filamentos de bombilla fanse por diversos procesos dependendo do material utilizado. Algúns destes procesos descríbense a continuación:
Carbono
Os filamentos de carbono fanse carbonizando materiais orgánicos como bambú, hilo de algodón, pasta de papel, etc., en un ambiente inerte a altas temperaturas (1000-1500°C). O material carbonizado estendeuse en fíos finos e enróllase en espirais.
Tántalo
Os filamentos de tántalo fanse mediante técnicas de metalurgia de polvos. O polvo de tántalo méclase con un ligante e presiónase en barras ou fíos. As barras ou fíos sinterízanse a altas temperaturas (2000-2500°C) en vacío ou atmosfera de gas inerte. As barras ou fíos sinterizados estíranse en fíos finos e enróllanse en espirais.
