Bahan Filamen Bohlam: Apa yang Perlu Anda Ketahui
Filamen bohlam adalah kawat tipis yang bersinar ketika arus listrik melewatinya. Ini adalah komponen utama dari bohlam lampu pijar, yang menghasilkan cahaya dengan memanaskan filamen hingga suhu tinggi. Bahan filamen harus memiliki sifat tertentu untuk menahan panas dan menghasilkan cahaya yang terang dan stabil. Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi sejarah, karakteristik, dan penggunaan berbagai bahan filamen bohlam, serta kelebihan dan kekurangan bohlam lampu pijar.
Apa itu Bohlam Lampu Pijar?
Bohlam lampu pijar didefinisikan sebagai lampu listrik yang menghasilkan cahaya dengan memanaskan filamen kawat hingga suhu tinggi hingga bersinar. Filamen tersebut terkandung dalam bohlam kaca yang berisi vakum atau gas inert untuk mencegah oksidasi dan penguapan bahan filamen. Bohlam tersebut dihubungkan ke sumber daya listrik oleh dua kontak logam di bagian bawah, yang terhubung ke dua kawat keras yang menahan filamen pada tempatnya.
Prinsip pencahayaan pijar ditemukan oleh banyak penemu pada abad ke-18 dan ke-19, tetapi bohlam lampu pijar pertama yang praktis dan berhasil secara komersial dikembangkan oleh Thomas Edison pada tahun 1879. Dia menggunakan filamen bambu karbonisasi yang bertahan selama sekitar 1200 jam. Kemudian, dia meningkatkan desainnya dengan menggunakan filamen benang katun karbonisasi yang bertahan selama sekitar 1500 jam.
Apa Sifat-sifat Bahan Filamen Bohlam yang Baik?
Bahan filamen bohlam harus memiliki sifat-sifat berikut untuk berfungsi dengan baik sebagai sumber cahaya pijar:
Titik lebur tinggi: Filamen harus dapat menahan suhu hingga 2500°C tanpa meleleh atau putus.
Tekanan uap rendah: Filamen tidak boleh menguap atau sublimasi pada suhu tinggi, yang akan menyebabkan bohlam menjadi hitam dan mengurangi kecerahan dan efisiensinya.
Bebas dari oksidasi: Filamen tidak boleh bereaksi dengan oksigen atau gas lain dalam bohlam pada suhu tinggi, yang akan menyebabkannya korosi atau mati.
Resistivitas tinggi: Filamen harus memiliki resistivitas listrik yang tinggi, yang berarti ia menolak aliran arus listrik. Ini menyebabkannya memanas dan mengeluarkan cahaya ketika arus melewatinya.
Koefisien termal ekspansi rendah: Filamen tidak boleh memuai atau berkontraksi signifikan ketika dipanaskan atau didinginkan, yang akan menyebabkannya deformasi atau putus.
Koefisien suhu resistensi rendah: Filamen tidak boleh mengubah resistansinya secara signifikan ketika dipanaskan atau didinginkan, yang akan mempengaruhi arus dan kecerahannya.
Modulus Young dan kekuatan tarik tinggi: Filamen harus dapat menahan stres mekanis yang disebabkan oleh berat sendiri dan getaran tanpa melorot atau putus.
Duktilitas cukup: Filamen harus dapat ditarik menjadi kawat yang sangat tipis tanpa putus atau retak.
Kemampuan untuk dibentuk menjadi bentuk filamen: Filamen harus dapat dibentuk menjadi gulungan atau double coil, yang meningkatkan area permukaan dan kecerahannya tanpa meningkatkan panjang atau resistansinya.
Tahan lelah tinggi: Filamen harus dapat menahan siklus pemanasan dan pendinginan berulang kali tanpa melemah atau gagal.
Apa Jenis-jenis Bahan Filamen Bohlam?
Berbagai jenis bahan telah digunakan untuk membuat filamen bohlam selama bertahun-tahun. Beberapa bahan tersebut tercantum di bawah ini:
Karbon
Karbon adalah bahan pertama yang digunakan untuk membuat filamen bohlam oleh Edison dan penemu lainnya. Karbon memiliki titik lebur tinggi (3500°C), tekanan uap rendah, resistivitas tinggi (1000-7000 µΩ-cm), dan koefisien suhu resistensi rendah (-0.0002 hingga -0.0008 /°C). Namun, karbon juga memiliki tahanan oksidasi rendah, koefisien termal ekspansi tinggi (2 hingga 6 /K), kekuatan tarik rendah, dan efek pembelokan tinggi pada bohlam. Filamen karbon memiliki efisiensi sekitar 4.5 lumen per watt (lm/W) dan suhu operasi hingga 1800°C.
Karbon juga digunakan untuk membuat resistor sensitif tekanan, yang digunakan dalam regulator tegangan otomatis, dan sikat karbon, yang digunakan dalam mesin DC.
Tantalum
Tantalum diperkenalkan sebagai bahan filamen bohlam oleh Werner von Bolton pada tahun 1902. Tantalum memiliki titik lebur tinggi (2900°C), tekanan uap rendah, resistivitas tinggi (12.4 µΩ-cm), dan koefisien termal ekspansi rendah (6.5 /K). Namun, tantalum juga memiliki tahanan oksidasi rendah, koefisien suhu resistensi tinggi (0.0036 /°C), kekuatan tarik rendah, dan efisiensi rendah (3.6 W/candle power). Filamen tantalum memiliki suhu operasi hingga 2000°C.
Tantalum tidak lagi banyak digunakan sebagai bahan filamen bohlam karena efisiensi rendah dan kelangkaannya.
Tungsten
Tungsten adalah bahan yang paling umum digunakan untuk membuat filamen bohlam saat ini. Tungsten pertama kali digunakan oleh William D. Coolidge pada tahun 1910. Tungsten memiliki titik lebur sangat tinggi (3410°C), tekanan uap rendah, resistivitas tinggi (5.65 µΩ-cm), kekuatan tarik tinggi, tahanan oksidasi tinggi, dan efek pembelokan rendah pada bohlam. Namun, tungsten juga memiliki koefisien suhu resistensi tinggi (0.005 /°C) dan koefisien termal ekspansi tinggi (4.3 /K). Filamen tungsten memiliki efisiensi sekitar 12 lm/W dan suhu operasi hingga 2500°C.
Tungsten juga digunakan sebagai elektroda dalam tabung X-ray dan sebagai bahan kontak listrik dalam beberapa aplikasi.
Bagaimana Filamen Bohlam Dibuat?
Filamen bohlam dibuat melalui berbagai proses tergantung pada bahan yang digunakan. Beberapa proses tersebut dijelaskan di bawah ini:
Karbon
Filamen karbon dibuat dengan mengkarbonisasi bahan organik seperti bambu, benang kapas, pulp kertas, dll., dalam atmosfer inert pada suhu tinggi (1000-1500°C). Bahan yang telah dikarbonisasi kemudian ditarik menjadi kawat tipis dan dililit menjadi gulungan.
Tantalum
Filamen tantalum dibuat dengan teknik metalurgi bubuk. Bubuk tantalum dicampur dengan binder dan dipress menjadi batang atau kawat. Batang atau kawat tersebut kemudian diasah pada suhu tinggi (2000-2500°C) dalam vakum atau atmosfer gas inert. Batang atau kawat yang telah diasah kemudian ditarik menjadi kawat tipis dan dililit menjadi gulungan.
Tungsten
Filamen tungsten dibuat melalui beberapa langkah:
Bijih tungsten diekstrak dari mineral wolframite atau scheelite dan dikonversi menjadi asam tungstat atau paratungstat amonium.
Asam tungstat atau paratungstat amonium direduksi dengan gas hidrogen untuk membentuk bubuk tungsten.
Bubuk tungsten dicampur dengan binder dan dipress menjadi batang atau kawat.
Batang atau kawat tersebut diasah pada suhu tinggi (2000-3000°C) dalam vakum atau atmosfer gas inert.
Batang atau kawat yang telah diasah ditekan (dipalu) menjadi batang atau kawat yang lebih tipis.
Batang atau kawat yang telah ditekan ditarik melalui dies berlian menjadi kawat sangat tipis (10-50 µm).
Kawat yang tipis tersebut dianneal (dipanaskan) pada suhu moderat (1000-1500°C) dalam gas hidrogen untuk meningkatkan duktilitas dan kekuatannya.
Kawat yang telah dianneal dililit menjadi gulungan atau double coil.
