Материал нити накала лампы: что вам нужно знать

Electrical4u

Поле: Основы электротехники

China

Нить накала — это тонкая проволока, которая светится, когда через нее проходит электрический ток. Это основной компонент лампы накаливания, которая производит свет, нагревая нить до высокой температуры. Материал нити должен обладать определенными свойствами, чтобы выдерживать высокую температуру и обеспечивать яркое и стабильное свечение. В этой статье мы рассмотрим историю, характеристики и применение различных материалов для нитей накала, а также преимущества и недостатки ламп накаливания.

Что такое лампа накаливания?

Лампа накаливания — это электрический источник света, который производит свет, нагревая металлическую нить до высокой температуры, пока она не начнет светиться. Нить заключена в стеклянную колбу, заполненную вакуумом или инертным газом, чтобы предотвратить окисление и испарение материала нити. Лампа подключается к источнику питания с помощью двух металлических контактов на основании, которые прикреплены к двум жестким проводам, удерживающим нить на месте.

Принцип работы ламп накаливания был открыт многими изобретателями в XVIII и XIX веках, но первая практическая и коммерчески успешная лампа накаливания была разработана Томасом Эдисоном в 1879 году. Он использовал углеродизированную бамбуковую нить, которая прослужила около 1200 часов. Позже он улучшил свой дизайн, используя углеродизированную хлопковую нить, которая прослужила около 1500 часов.

Какие свойства должны быть у хорошего материала для нити накала?

Материал нити накала должен обладать следующими свойствами, чтобы хорошо функционировать как источник света:

Высокая температура плавления: Нить должна выдерживать температуру до 2500°C без плавления или разрушения.
Низкое парциальное давление: Нить не должна испаряться или сублимироваться при высоких температурах, что приводило бы к потемнению колбы и снижению яркости и эффективности.
Свободна от окисления: Нить не должна реагировать с кислородом или другими газами в колбе при высоких температурах, что привело бы к коррозии или перегоранию.
Высокая удельная электрическая проводимость: Нить должна иметь высокое электрическое сопротивление, что означает, что она противодействует току. Это вызывает ее нагрев и излучение света при прохождении через нее тока.
Низкий коэффициент теплового расширения: Нить не должна значительно расширяться или сжиматься при нагреве или охлаждении, что приводило бы к деформации или разрушению.
Низкий температурный коэффициент сопротивления: Сопротивление нити не должно значительно изменяться при нагреве или охлаждении, что влияло бы на ток и яркость.
Высокий модуль Юнга и прочность на растяжение: Нить должна выдерживать механические напряжения, вызванные собственным весом и вибрацией, без провисания или разрыва.
Достаточная пластичность: Нить должна быть способна растягиваться в очень тонкую проволоку без разрыва или растрескивания.
Способность принимать форму нити: Нить должна быть способна формироваться в спираль или двойную спираль, что увеличивает ее поверхность и яркость без увеличения длины или сопротивления.
Высокая усталостная прочность: Нить должна выдерживать повторные циклы нагрева и охлаждения без ослабления или отказа.

Какие типы материалов используются для нитей накала?

За годы были использованы различные материалы для изготовления нитей накала. Некоторые из этих материалов перечислены ниже:

Углерод

Углерод был первым материалом, использованным для изготовления нитей накала Эдисоном и другими изобретателями. Он имеет высокую температуру плавления (3500°C), низкое парциальное давление, высокую удельную электрическую проводимость (1000-7000 µΩ-cm) и низкий температурный коэффициент сопротивления (-0,0002 до -0,0008 /°C). Однако он также имеет низкую стойкость к окислению, высокий коэффициент теплового расширения (2 до 6 /K), низкую прочность на растяжение и высокий эффект потемнения колбы. Углеродные нити имеют эффективность около 4,5 люмен на ватт (lm/W) и рабочую температуру до 1800°C.

Углерод также используется для изготовления резисторов с переменным сопротивлением, которые применяются в автоматических регуляторах напряжения, и угольных щеток, используемых в DC машинах.

Тантал

Тантал был введен в качестве материала для нитей накала Вернером фон Болтоном в 1902 году. Он имеет высокую температуру плавления (2900°C), низкое парциальное давление, высокую удельную электрическую проводимость (12,4 µΩ-cm) и низкий коэффициент теплового расширения (6,5 /K). Однако он также имеет низкую стойкость к окислению, высокий температурный коэффициент сопротивления (0,0036 /°C), низкую прочность на растяжение и низкую эффективность (3,6 W/световой поток). Танталовые нити имеют рабочую температуру до 2000°C.

Тантал больше не широко используется в качестве материала для нитей накала из-за его низкой эффективности и дефицита.

Вольфрам

Вольфрам является наиболее часто используемым материалом для изготовления нитей накала сегодня. Он был впервые использован Уильямом Д. Куледжем в 1910 году. Он имеет очень высокую температуру плавления (3410°C), низкое парциальное давление, высокую удельную электрическую проводимость (5,65 µΩ-cm), высокую прочность на растяжение, высокую стойкость к окислению и низкий эффект потемнения колбы. Однако он также имеет высокий температурный коэффициент сопротивления (0,005 /°C) и высокий коэффициент теплового расширения (4,3 /K). Вольфрамовые нити имеют эффективность около 12 lm/W и рабочую температуру до 2500°C.

Вольфрам также используется в качестве электрода в рентгеновских трубках и как контактный материал в некоторых приложениях.

Как изготавливаются нити накала?

Нити накала изготавливаются различными процессами в зависимости от используемого материала. Некоторые из этих процессов описаны ниже:

Углерод

Углеродные нити изготавливаются путем карбонизации органических материалов, таких как бамбук, хлопковая нить, бумажная масса и т.д., в инертной атмосфере при высоких температурах (1000-1500°C). Карбонизированный материал затем растягивается в тонкие проволоки и наматывается в спирали.

Тантал

Танталовые нити изготавливаются методами порошковой металлургии. Танталовый порошок смешивается с связующим и прессуется в стержни или проволоки. Стержни или проволоки затем спекаются при высоких температурах (2000-2500°C) в вакууме или инертной газовой атмосфере. Спеченые стержни или проволоки затем вытягиваются в тонкие проволоки и наматываются в спирали.