Materijal za žicu sijalice: Što trebate znati
Žica svjetiljke je tanki žicnik koji sija kada kroz njega prođe električni tok. To je glavni dio žarulje, koja stvara svjetlo zagrijavanjem žicnika na visoku temperaturu. Materijal žicnika mora imati određene svojstva kako bi izdržao toplinu i proizveo svjetlo koje je svijetlo i stabilno. U ovom članku istražit ćemo povijest, karakteristike i primjene različitih materijala za žicnike, kao i prednosti i nedostatke žarulja.
Što je žarulja?
Žarulja se definira kao električna svjetila koja proizvodi svjetlo zagrijavanjem žičanog žicnika na visoku temperaturu dok ne zasija. Žicnik je ugrađen u stakleni oklop koji sadrži vakuum ili inertni plin kako bi se spriječilo oksidiranje i isparavanje materijala žicnika. Oklop je spojen na napajanje putem dvaju metalnih kontakata na dnu, koji su povezani s dvije čvrste žice koje drže žicnik na mjestu.
Princip žaruljskog osvjetljenja otkrili su mnogi izumitelji u 18. i 19. stoljeću, ali prvu praktičnu i komercijalno uspješnu žarulju razvio je Thomas Edison 1879. godine. Koristio je ugljenizirani bambusov žicnik koji je trajao oko 1200 sati. Kasnije je poboljšao svoj dizajn koristeći ugljeniziranu pamukastu niti koja je trajala oko 1500 sati.
Koji su svojstva dobrog materijala za žicnik?
Materijal za žicnik mora imati sljedeća svojstva kako bi dobro funkcionirao kao izvor incandescencijalnog svjetla:
Visoka temperatura topnje: Žicnik mora moći izdržati temperature do 2500°C bez topnje ili loma.
Niska parna tlak: Žicnik ne smije isparavati ili sublimirati na visokim temperaturama, što bi dovelo do ocrnevanja oklopa i smanjenja svjetlosti i učinkovitosti.
Slobodan od oksidacije: Žicnik ne smije reagirati s kisikom ili drugim plinovima u oklopu na visokim temperaturama, što bi dovelo do korozijskog oštećenja ili izgoranja.
Visoka specifična otpornost: Žicnik mora imati visoku električnu otpornost, što znači da se suprotstavlja protoku električnog toka. To ga dovodi do zagrijavanja i emitiranja svjetlosti kada kroz njega prođe tok.
Niski toplinski koeficijent širenja: Žicnik ne smije znatno se širiti ili skupljati kada se zagrije ili ohladi, što bi dovelo do deformacije ili loma.
Niski temperaturni koeficijent otpornosti: Otpornost žicnika ne smije znatno mijenjati pri promjeni temperature, što bi utjecalo na njegov tok i svjetlost.
Visok Youngov modul i tenzorska čvrstoća: Žicnik mora moći izdržati mehanički stres uzrokovan vlastitim težinom i vibracijama bez obisuhanja ili loma.
Dovoljna duktilnost: Žicnik mora moći biti izvučen u vrlo tanku žicu bez loma ili pucanja.
Sposobnost pretvorbe u oblik žicnika: Žicnik mora moći biti formiran u cijev ili dvostruku cijev, što povećava njegovu površinu i svjetlost bez povećanja duljine ili otpornosti.
Visok otpor umoru: Žicnik mora moći izdržati ponavljane cikluse zagrijavanja i hlađenja bez oslabljanja ili propadanja.
Koji su tipovi materijala za žicnike?
Tijekom godina, različiti materijali su korišteni za izradu žicnika. Neke od tih materijala navedeni su u nastavku:
Ugljen
Ugljen je bio prvi materijal korišten za izradu žicnika od strane Edisona i drugih izumitelja. Ima visoku temperaturu topnje (3500°C), niski parni tlak, visoku specifičnu otpornost (1000-7000 µΩ-cm) i niski temperaturni koeficijent otpornosti (-0.0002 do -0.0008 /°C). Međutim, ima i nisku otpornost na oksidaciju, visok toplinski koeficijent širenja (2 do 6 /K), nisku tenzorsku čvrstoću i veliki efekt ocrnevanja oklopa. Ugljeni žicnici imaju učinkovitost od otprilike 4.5 lumeni po vat (lm/W) i radnu temperaturu do 1800°C.
Ugljen se također koristi za izradu otpornika osjetljivih na pritisak, koji se koriste u automatskim regulatorima napona, i ugljenih štapića, koji se koriste u DC strojevima.
Tantal
Tantal je uveden kao materijal za žicnik Wernerom von Boltonom 1902. godine. Ima visoku temperaturu topnje (2900°C), niski parni tlak, visoku specifičnu otpornost (12.4 µΩ-cm) i niski toplinski koeficijent širenja (6.5 /K). Međutim, ima nisku otpornost na oksidaciju, visok temperaturni koeficijent otpornosti (0.0036 /°C), nisku tenzorsku čvrstoću i nisku učinkovitost (3.6 W/svjetlosna snaga). Tantalni žicnici imaju radnu temperaturu do 2000°C.
Tantal više se ne koristi kao materijal za žicnike zbog niske učinkovitosti i retkosti.
Volfam
Volfam je najčešće korišteni materijal za izradu žicnika danas. Prvi put ga je koristio William D. Coolidge 1910. godine. Ima vrlo visoku temperaturu topnje (3410°C), niski parni tlak, visoku specifičnu otpornost (5.65 µΩ-cm), visoku tenzorsku čvrstoću, visoku otpornost na oksidaciju i niski efekt ocrnevanja oklopa. Međutim, ima visok temperaturni koeficijent otpornosti (0.005 /°C) i visok toplinski koeficijent širenja (4.3 /K). Volfamni žicnici imaju učinkovitost od otprilike 12 lm/W i radnu temperaturu do 2500°C.
Volfam se također koristi kao elektroda u röntgenovim cijevima i kao materijal za električne kontakte u određenim primjenama.
Kako se izrađuju žicnici?
Žicnici se izrađuju različitim postupcima, ovisno o materijalu koji se koristi. Neki od tih postupaka opisani su u nastavku:
Ugljen
Ugljeni žicnici izrađuju se ugljeniziranjem organskih materijala poput bambusa, pamukaste niti, papira, itd., u inertnom atmosferi na visokim temperaturama (1000-1500°C). Ugljenizirani materijal zatim se istegne u tanke žice i savijen u cijevi.
Tantal
Tantalni žicnici izrađuju se tehnikama praha metala. Prah talanta miješa se s vezivačem i preštačen u štapove ili žice. Štapovi ili žice zatim se sintiraju na visokim temperaturama (2000-2500°C) u vakuu ili inertnoj atmosferi. Sintirani štapovi ili žice zatim se istegnu u tanke žice i savijeni u cijevi.
Volfam
Volfam
