Materiale del Filamento della Lampadina: Cosa Devi Sapere
Un filamento di lampadina è un filo sottile che si illumina quando una corrente elettrica lo attraversa. È il componente principale di una lampadina a incandescenza, che produce luce riscaldando il filamento ad alta temperatura. Il materiale del filamento deve avere determinate proprietà per resistere al calore e produrre una luce luminosa e stabile. In questo articolo esploreremo la storia, le caratteristiche e gli usi dei diversi materiali di filamento, nonché i vantaggi e gli svantaggi delle lampadine a incandescenza.
Cos'è una Lampadina a Incandescenza?
Una lampadina a incandescenza è definita come una luce elettrica che produce luce riscaldando un filo di filamento ad alta temperatura fino a farlo brillare. Il filamento è racchiuso in una bolla di vetro che contiene un vuoto o un gas inerte per prevenire l'ossidazione e l'evaporazione del materiale del filamento. La lampadina è collegata a una fonte di alimentazione tramite due contatti metallici alla base, che sono attaccati a due fili rigidi che tengono il filamento al suo posto.
Il principio della luce a incandescenza fu scoperto da molti inventori nel XVIII e XIX secolo, ma la prima lampadina a incandescenza pratica e commercialmente riuscita fu sviluppata da Thomas Edison nel 1879. Egli utilizzò un filamento di bambù carbonizzato che durava circa 1200 ore. Successivamente, migliorò il suo design utilizzando un filamento di filo di cotone carbonizzato che durava circa 1500 ore.
Quali sono le Proprietà di un Buon Materiale per Filamento di Lampadina?
Il materiale del filamento della lampadina deve avere le seguenti proprietà per funzionare bene come fonte di luce a incandescenza:
Punto di fusione elevato: Il filamento deve essere in grado di resistere a temperature fino a 2500°C senza fondersi o rompersi.
Bassa pressione di vapore: Il filamento non deve evaporare o sublimare a temperature elevate, il che causerebbe l'annerimento della lampadina e ridurrebbe la sua luminosità ed efficienza.
Libero da ossidazione: Il filamento non deve reagire con l'ossigeno o altri gas nella lampadina a temperature elevate, il che causerebbe la corrosione o il bruciamento.
Alta resistività: Il filamento deve avere un'elevata resistenza elettrica, il che significa che oppone la corrente elettrica. Questo lo fa riscaldare e emettere luce quando una corrente lo attraversa.
Basso coefficiente termico di espansione: Il filamento non deve espandersi o contrarsi significativamente quando riscaldato o raffreddato, il che lo farebbe deformare o rompere.
Basso coefficiente di temperatura di resistenza: Il filamento non deve cambiare significativamente la sua resistenza quando riscaldato o raffreddato, il che influirebbe sulla corrente e la luminosità.
Alto modulo di Young e resistenza a trazione: Il filamento deve essere in grado di resistere allo stress meccanico causato dal proprio peso e dalla vibrazione senza afflosciarsi o spezzarsi.
Sufficiente duttilità: Il filamento deve poter essere tirato in un filo molto sottile senza rompersi o crepare.
Capacità di essere convertito in forma di filamento: Il filamento deve poter essere formato in una spirale o doppia spirale, il che aumenta la sua superficie e luminosità senza aumentare la sua lunghezza o resistenza.
Alta resistenza alla fatica: Il filamento deve essere in grado di sopportare cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento senza indebolirsi o fallire.
Quali sono i Tipi di Materiali per Filamenti di Lampadina?
Diversi tipi di materiali sono stati utilizzati per la produzione di filamenti di lampadina nel corso degli anni. Alcuni di questi materiali sono elencati di seguito:
Carbonio
Il carbonio è stato il primo materiale utilizzato per la produzione di filamenti di lampadina da Edison e altri inventori. Ha un punto di fusione elevato (3500°C), bassa pressione di vapore, alta resistività (1000-7000 µΩ-cm) e basso coefficiente di temperatura di resistenza (-0,0002 a -0,0008 /°C). Tuttavia, ha anche una bassa resistenza all'ossidazione, un alto coefficiente termico di espansione (2 a 6 /K), bassa resistenza a trazione e un forte effetto di annerimento sulla lampadina. I filamenti di carbonio hanno un'efficienza di circa 4,5 lumen per watt (lm/W) e una temperatura di funzionamento fino a 1800°C.
Il carbonio viene anche utilizzato per la produzione di resistori sensibili alla pressione, utilizzati in regolatori automatici di tensione, e di spazzole di carbonio, utilizzate in macchine a corrente continua.
Tantalio
Il tantalio è stato introdotto come materiale per filamenti di lampadina da Werner von Bolton nel 1902. Ha un punto di fusione elevato (2900°C), bassa pressione di vapore, alta resistività (12,4 µΩ-cm) e basso coefficiente termico di espansione (6,5 /K). Tuttavia, ha anche una bassa resistenza all'ossidazione, un alto coefficiente di temperatura di resistenza (0,0036 /°C), bassa resistenza a trazione ed efficienza bassa (3,6 W/candela). I filamenti di tantalio hanno una temperatura di funzionamento fino a 2000°C.
Il tantalio non viene più ampiamente utilizzato come materiale per filamenti di lampadina a causa della sua bassa efficienza e scarsità.
Tungsteno
Il tungsteno è il materiale più comunemente utilizzato per la produzione di filamenti di lampadina oggi. Fu utilizzato per la prima volta da William D. Coolidge nel 1910. Ha un punto di fusione molto elevato (3410°C), bassa pressione di vapore, alta resistività (5,65 µΩ-cm), alta resistenza a trazione, alta resistenza all'ossidazione e basso effetto di annerimento sulla lampadina. Tuttavia, ha anche un alto coefficiente di temperatura di resistenza (0,005 /°C) e un alto coefficiente termico di espansione (4,3 /K). I filamenti di tungsteno hanno un'efficienza di circa 12 lm/W e una temperatura di funzionamento fino a 2500°C.
Il tungsteno viene anche utilizzato come elettrodo nelle tubi a raggi X e come materiale di contatto elettrico in alcune applicazioni.
Come vengono Prodotti i Filamenti delle Lampadine?
I filamenti delle lampadine vengono prodotti attraverso vari processi a seconda del materiale utilizzato. Alcuni di questi processi sono descritti di seguito:
Carbonio
I filamenti di carbonio vengono prodotti carbonizzando materiali organici come bambù, filo di cotone, pasta di legno, ecc., in un atmosfera inerte a temperature elevate (1000-1500°C). Il materiale carbonizzato viene poi stirato in fili sottili e avvolto in spirali.
Tantalio
I filamenti di tantalio vengono prodotti con tecniche di metallurgia a polvere. La polvere di tantalio viene miscelata con un legante e pressata in barre o fili. Le barre o i fili vengono poi sintetizzati a temperature elevate (2000-2500°C) in un vuoto o in un'atmosfera di gas inerte. Le barre o i fili sintetizzati vengono poi tirati in fili sottili e avvolti in spirali.
Tungsteno
I filamenti di tungsteno vengono prodotti attraverso diversi passaggi:
L'oro bianco viene estratto dai minerali di wolframite o scheelite e convertito in acido tungstico o paratungstato d'ammonio.
L'acido tungstico o il paratungstato d'ammonio viene ridotto con gas idrogeno per formare polvere di tungsteno.
