Materiał żarówki: Co powinieneś wiedzieć

Electrical4u

Pole: Podstawowe Elektryka

China

Nicią żarową jest cienki drut, który świeci, gdy przez niego przepływa prąd elektryczny. Jest to główny element żarówki, która produkuje światło, nagrzewając nicię do wysokiej temperatury. Materiał nici musi posiadać pewne właściwości, aby wytrzymać wysoką temperaturę i produkować jasne i stabilne światło. W tym artykule przeanalizujemy historię, charakterystykę i zastosowania różnych materiałów nici żarowych, jak również zalety i wady żarówek.

Czym jest żarówka?

Żarówką nazywamy źródło światła elektrycznego, które produkuje światło poprzez nagrzanie cienkiego drutu do tak wysokiej temperatury, że zaczyna on świecić. Drut ten znajduje się w szklanej bańce, która zawiera próżnię lub gaz szlachetny, aby zapobiec utlenianiu i parowaniu materiału drutu. Żarówka jest podłączona do źródła zasilania za pomocą dwóch metalowych kontaktów na podstawie, które są połączone z dwoma sztywnymi drutami, które trzymają drut w miejscu.

Zasada działania żarówek została odkryta przez wielu wynalazców w XVIII i XIX wieku, ale pierwszą praktyczną i komercyjnie udaną żarówkę opracował Thomas Edison w 1879 roku. Użył on karbonizowanego bambusa, który trwał około 1200 godzin. Później ulepszył swój projekt, używając karbonizowanej bawełnianej nitki, która trwała około 1500 godzin.

Jakie są właściwości dobrego materiału nici żarowej?

Materiał nici żarowej musi posiadać następujące właściwości, aby dobrze funkcjonować jako źródło światła żarowego:

Wysoka temperatura topnienia: Nicia musi być w stanie wytrzymać temperatury do 2500°C bez topnienia lub pękania.
Niska ciśnienie pary: Nicia nie powinna parować ani sublimować przy wysokich temperaturach, co spowodowałoby poszarzenie bańki i zmniejszenie jej jasności i efektywności.
Odporność na utlenianie: Nicia nie powinna reagować z tlenem lub innymi gazami w bańce przy wysokich temperaturach, co spowodowałoby jej korozję lub spalenie.
Wysoka oporność elektryczna: Nicia musi mieć wysoką oporność elektryczną, co oznacza, że opiera się przepływowi prądu elektrycznego. To sprawia, że grzeje się i emituje światło, gdy przez nią przepływa prąd.
Niski współczynnik rozszerzalności termicznej: Nicia nie powinna znacznie rozszerzać się ani kurczyć, gdy jest nagrzana lub ochłodzona, co spowodowałoby jej deformację lub pęknięcie.
Niski współczynnik temperaturowy oporu: Nicia nie powinna znacznie zmieniać swojego oporu, gdy jest nagrzana lub ochłodzona, co wpłynęłoby na jej prąd i jasność.
Wysoki moduł Younga i wytrzymałość na rozciąganie: Nicia musi być w stanie wytrzymać naprężenia mechaniczne spowodowane jej własnym ciężarem i drganiami bez obniżania się lub pękania.
Dostateczna ciągliwość: Nicia musi być w stanie zostać przeciągnięta w bardzo cienki drut bez pękania lub pęknięcia.
Możliwość formowania w kształt nici: Nicia musi być w stanie przybrać kształt spirali lub podwójnej spirali, co zwiększa jej powierzchnię i jasność bez zwiększania długości lub oporu.
Wysoka odporność na zmęczenie: Nicia musi być w stanie wytrzymać powtarzające się cykle nagrzewania i chłodzenia bez osłabiania lub awarii.

Jakie są rodzaje materiałów nici żarowych?

Przez lata używano różnych materiałów do produkcji nici żarowych. Niektóre z tych materiałów są wymienione poniżej:

Węgiel

Węgiel był pierwszym materiałem używanym do produkcji nici żarowych przez Edisona i innych wynalazców. Ma wysoką temperaturę topnienia (3500°C), niskie ciśnienie pary, wysoką oporność elektryczną (1000-7000 µΩ-cm) i niski współczynnik temperaturowy oporu (-0,0002 do -0,0008 /°C). Jednak ma również niską odporność na utlenianie, wysoki współczynnik rozszerzalności termicznej (2 do 6 /K), niską wytrzymałość na rozciąganie i duży efekt poszarzenia bańki. Nici węglowe mają efektywność około 4,5 lumenów na watt (lm/W) i temperaturę pracy do 1800°C.

Węgiel jest również używany do produkcji oporników czułych na nacisk, które są stosowane w automatycznych regulatorach napięcia, oraz szczotek węglowych, które są stosowane w maszynach prądu stałego.

Tantal

Tantal został wprowadzony jako materiał nici żarowej przez Wernera von Boltona w 1902 roku. Ma wysoką temperaturę topnienia (2900°C), niskie ciśnienie pary, wysoką oporność elektryczną (12,4 µΩ-cm) i niski współczynnik rozszerzalności termicznej (6,5 /K). Jednak ma również niską odporność na utlenianie, wysoki współczynnik temperaturowy oporu (0,0036 /°C), niską wytrzymałość na rozciąganie i niską efektywność (3,6 W/moc świecąca). Nici tantalowe mają temperaturę pracy do 2000°C.

Tantal nie jest już szeroko stosowany jako materiał nici żarowej ze względu na niską efektywność i rzadkość.

Wolfram

Wolfram jest najbardziej powszechnie stosowanym materiałem do produkcji nici żarowych dzisiaj. Po raz pierwszy został użyty przez Williama D. Coolidge'a w 1910 roku. Ma bardzo wysoką temperaturę topnienia (3410°C), niskie ciśnienie pary, wysoką oporność elektryczną (5,65 µΩ-cm), wysoką wytrzymałość na rozciąganie, wysoką odporność na utlenianie i niski efekt poszarzenia bańki. Jednak ma również wysoki współczynnik temperaturowy oporu (0,005 /°C) i wysoki współczynnik rozszerzalności termicznej (4,3 /K). Nici wolframowe mają efektywność około 12 lm/W i temperaturę pracy do 2500°C.

Wolfram jest również używany jako elektroda w rurach rentgenowskich i jako materiał kontaktowy w niektórych zastosowaniach.

Jak są produkowane nici żarowe?

Nici żarowe są produkowane różnymi procesami w zależności od używanego materiału. Niektóre z tych procesów są opisane poniżej:

Węgiel

Nici węglowe są produkowane poprzez węglowanie organicznych materiałów, takich jak bambus, bawełniana nitka, mokra masa papierowa itp., w atmosferze nietkliwym przy wysokich temperaturach (1000-1500°C). Węglony materiał jest następnie rozciągnięty w cienkie druty i nawinięty w spirale.

Tantal

Nici tantalu są produkowane technikami metallurgii proszkowej. Proszek tantalu jest mieszany z wiążącym i prasowany w formy prętów lub drutów. Pręty lub druty są następnie sinterowane (spiekane) w wysokich temperaturach (2000-2500°C) w próżni lub atmosferze nietkliwym. Spiekane pręty lub druty są następnie rozciągnięte w cienkie druty i nawinięte w spirale.