Lampen gloeidraad materiaal: Wat u moet weten

Electrical4u

Veld: Basis Elektrotechniek

China

Een gloeidraad is een dun draadje dat gloeit wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat. Het is het hoofdbestanddeel van een gloeilamp, die licht produceert door de gloeidraad op hoge temperatuur te verhitten. Het materiaal van de gloeidraad moet bepaalde eigenschappen hebben om de hitte te weerstaan en een helder en stabiel licht te produceren. In dit artikel zullen we de geschiedenis, eigenschappen en toepassingen van verschillende gloeidraadmateriaal bekijken, evenals de voordelen en nadelen van gloeilampen.

Wat is een gloeilamp?

Een gloeilamp wordt gedefinieerd als een elektrisch licht dat licht produceert door een draaddraad op hoge temperatuur te verhitten tot deze gloeit. De gloeidraad zit in een glazen bol die een vacuüm of een inert gas bevat om oxidatie en verdamping van het draadmateriaal te voorkomen. De bol is verbonden met een stroombron via twee metalen contacten aan de basis, die zijn bevestigd aan twee stijve draden die de gloeidraad op hun plaats houden.

Het principe van gloeilicht werd ontdekt door veel uitvinders in de 18e en 19e eeuw, maar de eerste praktische en commercieel succesvolle gloeilamp werd ontwikkeld door Thomas Edison in 1879. Hij gebruikte een gekarboniseerde bamboogloeidraad die ongeveer 1200 uur meeging. Later verbeterde hij zijn ontwerp door een gekarboniseerde katoendraadgloeidraad te gebruiken die ongeveer 1500 uur meeging.

Welke eigenschappen moeten goede gloeidraadmateriaal hebben?

Het materiaal van de gloeidraad moet de volgende eigenschappen hebben om goed te functioneren als een gloeilichtbron:

Hoge smeltpunt: De gloeidraad moet temperaturen van tot 2500°C kunnen weerstaan zonder te smelten of te breken.
Lage dampdruk: De gloeidraad mag niet verdampen of sublimeren bij hoge temperaturen, wat zou leiden tot verduistering van de bol en afname van de helderheid en efficiëntie.
Vrij van oxidatie: De gloeidraad mag niet reageren met zuurstof of andere gassen in de bol bij hoge temperaturen, wat zou leiden tot corrosie of uitschakeling.
Hoge weerstand: De gloeidraad moet een hoge elektrische weerstand hebben, wat betekent dat het de stroom tegenwerkt. Dit zorgt ervoor dat het opwarmt en licht uitstraalt wanneer er stroom doorheen gaat.
Lage thermische uitbreidingscoëfficiënt: De gloeidraad mag niet aanzienlijk uitzetten of samentrekken bij verhitting of afkoeling, wat zou leiden tot vervorming of breuk.
Lage temperatuurcoëfficiënt van weerstand: De gloeidraad mag zijn weerstand niet aanzienlijk veranderen bij verhitting of afkoeling, wat de stroom en de helderheid zou beïnvloeden.
Hoge Young's modulus en treksterkte: De gloeidraad moet de mechanische spanning kunnen weerstaan die wordt veroorzaakt door het eigen gewicht en trillingen, zonder te zakken of te breken.
Voldoende ductiliteit: De gloeidraad moet kunnen worden getrokken tot een zeer dunne draad zonder te breken of te scheuren.
Mogelijkheid om in de vorm van een gloeidraad te worden omgezet: De gloeidraad moet kunnen worden gevormd tot een spoel of dubbele spoel, wat het oppervlak en de helderheid vergroot zonder de lengte of de weerstand te verhogen.
Hoge vermoeiingsbestendigheid: De gloeidraad moet herhaalde verhittings- en afkoelingscycli kunnen doorstaan zonder te verzwakken of te mislukken.

Welke soorten gloeidraadmateriaal bestaan er?

Verschillende materialen zijn over de jaren heen gebruikt voor het maken van gloeidraden. Enkele van deze materialen staan hieronder vermeld:

Koolstof

Koolstof was het eerste materiaal dat door Edison en andere uitvinders werd gebruikt voor het maken van gloeidraden. Het heeft een hoog smeltpunt (3500°C), een lage dampdruk, een hoge weerstand (1000-7000 µΩ-cm) en een lage temperatuurcoëfficiënt van weerstand (-0.0002 tot -0.0008 /°C). Echter, het heeft ook een lage oxidatieresistentie, een hoge thermische uitbreidingscoëfficiënt (2 tot 6 /K), een lage treksterkte en een hoge verduisteringseffect op de bol. Koolstofgloeidraden hebben een efficiëntie van ongeveer 4,5 lumen per watt (lm/W) en een werkingstemperatuur van tot 1800°C.

Koolstof wordt ook gebruikt voor het maken van drukgevoelige weerstanden, die worden gebruikt in automatische spanningsregelaars, en koolstofborstels, die worden gebruikt in gelijkstroommachines.

Tantalum

Tantalum werd in 1902 geïntroduceerd als gloeidraadmateriaal door Werner von Bolton. Het heeft een hoog smeltpunt (2900°C), een lage dampdruk, een hoge weerstand (12,4 µΩ-cm) en een lage thermische uitbreidingscoëfficiënt (6,5 /K). Echter, het heeft ook een lage oxidatieresistentie, een hoge temperatuurcoëfficiënt van weerstand (0,0036 /°C), een lage treksterkte en een lage efficiëntie (3,6 W/candle power). Tantalumgloeidraden hebben een werkingstemperatuur van tot 2000°C.

Tantalum wordt niet meer breed gebruikt als gloeidraadmateriaal vanwege de lage efficiëntie en schaarste.

Wolfram

Wolfram is het meest gebruikte materiaal voor het maken van gloeidraden tegenwoordig. Het werd voor het eerst gebruikt door William D. Coolidge in 1910. Het heeft een zeer hoog smeltpunt (3410°C), een lage dampdruk, een hoge weerstand (5,65 µΩ-cm), een hoge treksterkte, een hoge oxidatieresistentie en een lage verduisteringseffect op de bol. Echter, het heeft ook een hoge temperatuurcoëfficiënt van weerstand (0,005 /°C) en een hoge thermische uitbreidingscoëfficiënt (4,3 /K). Wolframgloeidraden hebben een efficiëntie van ongeveer 12 lm/W en een werkingstemperatuur van tot 2500°C.

Wolfram wordt ook gebruikt als elektrode in röntgenbuizen en als elektrisch contactmateriaal in bepaalde toepassingen.

Hoe worden gloeidraden gemaakt?

Gloeidraden worden gemaakt door verschillende processen, afhankelijk van het gebruikte materiaal. Sommige van deze processen worden hieronder beschreven:

Koolstof

Koolstofgloeidraden worden gemaakt door organische materialen zoals bamboe, katoendraad, papierpulp, etc., te verkolen in een inerte atmosfeer bij hoge temperaturen (1000-1500°C). Het verkoolde materiaal wordt dan uitgerekt tot dunne draden en opgewonden tot spoelen.