電球のフィラメント材料：知っておくべきこと

フィールド: 基本電気

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電球のフィラメントは、細い線で、電流が通過すると光ります。これは白熱電球の主要な部品であり、フィラメントを高温に加熱することで光を生成します。フィラメント材料は、熱に耐え、明るく安定した光を発するためには特定の特性を持つ必要があります。この記事では、異なる電球フィラメント材料の歴史、特性、用途、および白熱電球の長所と短所について探求します。

白熱電球とは？

白熱電球は、ワイヤーフィラメントを高温まで加熱して光を生成する電気照明器具です。フィラメントは真空または不活性ガスが充填されたガラス製の電球内に封入され、酸化や蒸発から保護されます。電球は、ベースにある2つの金属接触点によって電源に接続され、これらはフィラメントを固定する2本の硬いワイヤーに接続されています。

白熱照明の原理は18世紀と19世紀に多くの発明家によって発見されました。しかし、最初の実用的で商業的に成功した白熱電球は、1879年にトーマス・エジソンによって開発されました。彼は約1200時間持つ炭化竹のフィラメントを使用しました。その後、彼は約1500時間持つ炭化綿糸のフィラメントを使用して設計を改良しました。

良い電球フィラメント材料の特性とは？

電球フィラメント材料は、以下の特性を持つことで白熱光源として機能します：

高い融点: フィラメントは2500°Cまでの温度に耐える必要があります。
低い蒸気圧: フィラメントは高温で蒸発または昇華しないようにする必要があります。
酸化からの解放: フィラメントは高温で酸素や他のガスと反応しないようにする必要があります。
高い抵抗率: フィラメントは高い電気抵抗を持つ必要があります。これにより、電流が通過すると熱を発生し、光を放出します。
低い熱膨張係数: フィラメントは加熱または冷却時に大幅に膨張または収縮しないようにする必要があります。
低温抵抗係数: フィラメントは加熱または冷却時に抵抗が大きく変化しないようにする必要があります。
高いヤング係数と引張強度: フィラメントは自身の重さや振動による機械的なストレスに耐える必要があります。
十分な延性: フィラメントは非常に細いワイヤーに引き延ばすことが可能なほど柔軟である必要があります。
フィラメント形状への変形能力: フィラメントはコイルまたはダブルコイルに形成することが可能です。
高い疲労強度: フィラメントは繰り返される加熱と冷却サイクルに耐える必要があります。

電球フィラメント材料の種類とは？

これまでにさまざまな材料が電球フィラメントに使用されてきました。これらの一部は以下の通りです。

カーボン

カーボンは、エジソンや他の発明家によって初めて電球フィラメントに使用された材料です。それは高い融点（3500°C）、低い蒸気圧、高い抵抗率（1000-7000 µΩ-cm）、低い温度抵抗係数（-0.0002〜-0.0008 /°C）を持っています。しかし、低酸化抵抗、高熱膨張係数（2〜6 /K）、低引張強度、および電球の黒化効果が高いという欠点があります。カーボンフィラメントの効率は約4.5ルーメン/ワット（lm/W）で、動作温度は最大1800°Cです。

カーボンはまた、自動電圧調整器で使用される圧力敏感抵抗器や、直流機械で使用されるカーボンブラシにも使用されます。

タングステン

タングステンは現在、最も一般的に使用されている電球フィラメント材料です。1910年にウィリアム・D・クーリッジによって初めて使用されました。それは非常に高い融点（3410°C）、低い蒸気圧、高い抵抗率（5.65 µΩ-cm）、高い引張強度、高い酸化抵抗、および電球の黒化効果が低いという特徴を持っています。しかし、温度抵抗係数（0.005 /°C）と熱膨張係数（4.3 /K）が高いという欠点もあります。タングステンフィラメントの効率は約12 lm/Wで、動作温度は最大2500°Cです。

タングステンはまた、X線管の電極や特定のアプリケーションでの電気接触材料としても使用されます。

電球フィラメントの製造方法とは？

電球フィラメントは、使用される材料によってさまざまな製造プロセスで作られます。以下にいくつかのプロセスを説明します。

カーボン

カーボンフィラメントは、バンブーや綿糸、紙パルプなどの有機材料を、非活性雰囲気下で高温（1000〜1500°C）で炭化することによって製造されます。炭化された材料は細いワイヤーに引き延ばされ、コイルに巻かれます。

タングステン

タングステンフィラメントは、粉末冶金技術によって製造されます。タングステン粉末はバインダーと混合され、ロッドやワイヤーにプレスされます。ロッドやワイヤーは真空または不活性ガス雰囲気下で高温（2000〜2500°C）で焼結されます。焼結されたロッドやワイヤーは細いワイヤーに引き延ばされ、コイルに巻かれます。