חוט נורה הוא חוט דק שמשתלהט כאשר זרם חשמלי עובר דרכו. זהו המרכיב העיקרי בנורה פליטה, המפיק אור על ידי חימום החוט לטמפרטורה גבוהה. חומר החוט חייב להיות בעל תכונות מסוימות כדי לסבול את החום ולהפיק אור בהיר ויציב. במאמר זה נחקור את ההיסטוריה, התכונות והשימושים של חומרים שונים לחוטי נורה, כמו גם את היתרונות והחסרונות של נורות פליטה.
נורה פליטה מוגדרת כמקור אור חשמלי המפיק אור על ידי חימום חוט עד לטמפרטורה גבוהה עד שהוא משתלהט. החוט מוקף בעדשה זכוכית המכילה ריק או גז אינרטי למנוע חמצון ואבידת החומר של החוט. הנורה מחוברת לספק חשמל באמצעות שני מגעים מתכתיים בבסיס, המחוברים לשני חוטים קשיחים החולקים את החוט במקום.
עקרון האclairון התגלה על ידי מספר ממציאים במאות ה-18 וה-19, אך הנורה הפלאטית הראשונה שהצליחה באופן מסחרי פותחה על ידי תומס אדיסון בשנת 1879. הוא השתמש בחוט מהבמבוק שנאבק בכינים ושימש במשך כ-1200 שעות. מאוחר יותר, הוא שיפר את העיצוב שלו באמצעות חוט מה Baumwolle שנאבק בכינים ושימש במשך כ-1500 שעות.
חומר החוט לנורה חייב להכיל את התכונות הבאות כדי לתפקד היטב כמקור אור פליטה:
נקודת צליחה גבוהה: החוט חייב להיות מסוגל לעמוד בטמפרטורות של עד 2500°C מבלי להתמוסס או להתפוצץ.
לחץ קיטור נמוך: החוט לא יכול להתנדף או להתמצב בטמפרטורות גבוהות, מה שיגרום לנורה להכהין ולגרום להפחתת בהירות ויעילות.
חופשי מחמצון: החוט לא יכול להגיב עם חמצן או גזים אחרים בנורה בטמפרטורות גבוהות, מה שיגרום לו להתמוסס או להתפוצץ.
התנגדות גבוהה: החוט חייב להיות בעל התנגדות חשמלית גבוהה, מה שאומר שהוא מתנגד לזרם חשמלי. זה גורם לו לחמם ולהפיק אור כאשר זרם עובר דרכו.
מקדם הרחבת טמפרטורה נמוך: החוט אינו יכול להתפשט או להתכווץ באופן משמעותי כשהוא מחומם או מתחמם, מה שיגרום לו להתעוות או להתפוצץ.
מקדם 저ومة טמפרטורה נמוך: החוט אינו יכול לשנות את ההתנגדות שלו באופן משמעותי כשהוא מחומם או מתחמם, מה שיכול להשפיע על הזרם והבהירות שלו.
מודול יאנג גבוה ועמידות למתיחה גבוהה: החוט חייב להיות מסוגל לעמוד בלחץ מכני הנגרם משקלו שלו ורטט מבלי להתמוטט או להתפוצץ.
אלסטיות מספקת: החוט חייב להיות מסוגל להישאב לשרשרת דקה מאוד מבלי להתפוצץ או להתפצל.
יכולת להשתנות לצורת חוט: החוט חייב להיות מסוגל להיווצר בצורת סליל או סליל כפול, מה שמכפיל את שטח הפנים והאור שלו מבלי להגדיל את האורך או ההתנגדות שלו.
עמידות גבוהה לfatigue: החוט חייב להיות מסוגל להתמיד במחזורים חוזרים של חימום וקירור מבלי להתחלש או להיכשל.
חומרים שונים נעשו לשימוש לחוטי נורה לאורך השנים. חלק מהחומרים הללו מפורטים להלן:
פחמן היה החומר הראשון ששימש לחוטי נורה על ידי אדיסון וממציאים אחרים. יש לו נקודת צליחה גבוהה (3500°C), לחץ קיטור נמוך, התנגדות גבוהה (1000-7000 µΩ-cm) ומקדם 저ومة טמפרטורה נמוך (-0.0002 עד -0.0008 /°C). עם זאת, יש לו גם עמידות נמוכה לחמצון, מקדם הרחבת טמפרטורה גבוה (2 עד 6 /K), עמידות למתיחה נמוכה וэффект כהון גבוה על הנורה. חוטי פחמן יש להם יעילות של כ-4.5 לומנס לד'וואט (lm/W) וטמפרטורת פעולה של עד 1800°C.
פחמן משמש גם לייצור נגדים רגישים לחץ, המשמשים ברגולטורים חשמליים אוטומטיים, ונקודות פחמן, המשמשים במכונות DC.
טנטלום הוצג כחומר לחוטי נורה על ידי ורנר פון בולטון בשנת 1902. יש לו נקודת צליחה גבוהה (2900°C), לחץ קיטור נמוך, התנגדות גבוהה (12.4 µΩ-cm) ומקדם הרחבת טמפרטורה נמוך (6.5 /K). עם זאת, יש לו גם עמידות נמוכה לחמצון, מקדם 저ومة טמפרטורה גבוה (0.0036 /°C), עמידות למתיחה נמוכה ויעילות נמוכה (3.6 W/candle power). חוטי טנטלום יש להם טמפרטורת פעולה של עד 2000°C.
טנטלום כבר לא בשימוש רחב כחומר לחוטי נורה בשל יעילות נמוכה ונדירות.
טונגסטן הוא החומר הנפוץ ביותר לשימוש לחוטי נורה כיום. הוא התחיל לשמש על ידי ויליאם ד. קולידג' בשנת 1910. יש לו נקודת צליחה גבוהה מאוד (3410°C), לחץ קיטור נמוך, התנגדות גבוהה (5.65 µΩ-cm), עמידות למתיחה גבוהה, עמידות גבוהה לחמצון ואפקט כהון נמוך על הנורה. עם זאת, יש לו גם מקדם ירידת טמפרטורה גבוה (0.005 /°C) ומקדם הרחבת טמפרטורה גבוה (4.3 /K). חוטי טונגסטן יש להם יעילות של כ-12 lm/W וטמפרטורת פעולה של עד 2500°C.
טונגסטן משמש גם כאלקטרודה בצינורות קרני רנטגן וכחומר מגע חשמלי במשימות מסוימות.
חוטי נורה מיוצרים באמצעות תהליכים שונים בהתאם לחומר הנבחר. כמה מתהלכים אלו מתוארים להלן:
חוטי פחמן מיוצרים על ידי פחמנת חומרים אורגניים כגון במבוק, Baumwolle, פלפל, וכו', באטמוספרה אינרטייה בטמפרטורות גבוהות (1000-1500°C). החומר הפחם מושך לחוטים דקים ומסובך בסלים.
חוטי טנטלום מיוצרים באמצעות טכניקות מטאלורגיה פודר. אבקת טנטלום מעורבת עם חומר מכריח ונדחסת לגלילים או חוטים. הגלילים או החוטים נסינתרים בטמפרטורות גבוהות (2000-2500°C) בריק או באטמוספרה אינרטייה. הגלילים או החוטים הסינתרים מושכים לחוטים דקים ומסובכים בסלים.
חוטי טונגסטן מיוצרים במספר שלבים:
נפטון טונגסטן מופק מminerale wolframite או scheelite ומומר לחומצה טונגסטית או אמוניום פרה טונגסטן.
חומצה טונגסטית או אמוניום פרה טונגסטן מורד עם גז מימן כדי ליצור אבקת טונגסטן.
אבקת טונגסטן מעורבת עם חומר מכריח ונדחסת לגלילים או חוטים.
הגלילים או החוטים נסינתרים בטמפרטורות גבוהות (2000-3000°C) בריק או באטמוספרה אינרטייה.