Nastavitev žarke: Kaj morate vedeti
Vlakno svetlobe je tanka žica, ki se razsvetli, ko skozi njo teče električni tok. To je glavni sestavni del žarnice, ki proizvaja svetlobo z ogrevanjem vlakna na visoko temperaturo. Material vlakna mora imeti določene lastnosti, da bi odvisnost in proizvodil jasno in stabilno svetlobo. V tem članku bomo raziskali zgodovino, značilnosti in uporabo različnih materialov za vlakna v žarnicah, kot tudi prednosti in slabosti žarnic.
Kaj je žarnica?
Žarnica je definirana kot električna svetilka, ki proizvaja svetlobo z ogrevanjem žičnega vlakna na visoko temperaturo, dokler ne zasveti. Vlakno je zaključeno v stekleni žarnici, ki vsebuje vakuum ali inertni plin, da prepreči oksidacijo in parjenje materiala vlakna. Žarnica je povezana s strmo napajalnim virom z dvema kovinskima kontaktoma na podlagi, ki sta pripevana k dvema trdima žicama, ki držita vlakno na mestu.
Načelo inkandescenčne svetlobe je odkril mnogi izumitelji v 18. in 19. stoletju, toda prva praktična in tržno uspešna žarnica je razvil Thomas Edison leta 1879. Uporabil je karboniziran bambuski vlaknenec, ki je trajal približno 1200 ur. Kasneje je izboljšal svoj dizajn z uporabo karboniziranega pametnega vlakna, ki je trajalo približno 1500 ur.
Kateri so lastnosti dobroga materiala za vlakno v žarnici?
Material vlakna v žarnici mora imeti naslednje lastnosti, da bi dobro deloval kot inkandescenčni svetlobni vir:
Visoka toplinska točka taljenja: Vlakno mora biti sposobno odvisiti temperature do 2500°C brez taljenja ali poškodbe.
Nizka parna tlak: Vlakno se ne sme pariti ali sublimirati na visokih temperaturah, ker bi to povzročilo črnelo žarnice in zmanjšalo njeno svetlost in učinkovitost.
Odpornost na oksidacijo: Vlakno se ne sme reagirati z kisikom ali drugimi plini v žarnici na visokih temperaturah, ker bi to povzročilo korozijo ali izgorela.
Visok upor: Vlakno mora imeti visok električni upor, kar pomeni, da se opira pretoku električnega toka. To ga povzroči, da se segreje in emitira svetlobo, ko skozi njega teče tok.
Nizki termalni koeficient raztezanja: Vlakno se ne sme znatno razširjati ali skračevati, ko se segreje ali ohladi, ker bi to povzročilo deformacijo ali poškodbo.
Nizki temperaturni koeficient upora: Vlakno se ne sme znatno spremeniti svojega upora, ko se segreje ali ohladi, ker bi to vplivalo na tok in svetlost.
Visok Youngov modul in trdota na razteg: Vlakno mora biti sposobno odvisiti mehanske stres, ki ga povzroči njegova lastna teža in vibracija, brez padanja ali loma.
Dovolj ductility: Vlakno mora biti sposobno, da se izvije v zelo tanko žico brez lomanja ali pukotin.
Sposobnost, da se pretvori v obliko vlakna: Vlakno mora biti sposobno, da se oblikuje v spiralo ali dvojno spiralo, kar poveča njegov površinski obseg in svetlost brez povečevanja dolžine ali upora.
Visoka odpornost na utrujenost: Vlakno mora biti sposobno odvisiti ponavljanega segrevanja in hladnega cikla brez oslabljanja ali propada.
Kateri so tipi materialov za vlakna v žarnicah?
Za izdelavo vlaken v žarnicah so bili uporabljani različni materiali. Nekateri od teh materialov so navedeni spodaj:
Ugljen
Ugljen je bil prvi material, ki so ga uporabili Edison in drugi izumitelji za izdelavo vlaken v žarnicah. Ima visoko toplinsko točko taljenja (3500°C), nizki parni tlak, visok upor (1000-7000 µΩ-cm) in nizki temperaturni koeficient upora (-0.0002 do -0.0008 /°C). Toda ima tudi nizko odpornost na oksidacijo, visoki termalni koeficient raztezanja (2 do 6 /K), nizko trdoto na razteg in visok učinek črnela žarnice. Ugljeni vlaknenca imajo učinkovitost okoli 4,5 lumenov na vat (lm/W) in delovno temperaturo do 1800°C.
Ugljen se uporablja tudi za izdelavo nihanjskih upornikov, ki se uporabljajo v avtomatskih napajalnikih napetosti, in ugljenih cep, ki se uporabljajo v DC motorjih.
Tantal
Tantal je bil vpeljan kot material za vlakna v žarnicah leta 1902 s strani Wernera von Boltona. Ima visoko toplinsko točko taljenja (2900°C), nizki parni tlak, visok upor (12,4 µΩ-cm) in nizki termalni koeficient raztezanja (6,5 /K). Toda ima tudi nizko odpornost na oksidacijo, visoki temperaturni koeficient upora (0,0036 /°C), nizko trdoto na razteg in nizko učinkovitost (3,6 W/svečna moč). Tantalni vlaknenca imajo delovno temperaturo do 2000°C.
Tantal ni več široko uporabljan kot material za vlakna v žarnicah zaradi nizke učinkovitosti in redkosti.
Volfram
Volfram je najpogosteje uporabljan material za izdelavo vlaken v žarnicah danes. Prvič ga je uporabil William D. Coolidge leta 1910. Ima zelo visoko toplinsko točko taljenja (3410°C), nizki parni tlak, visok upor (5,65 µΩ-cm), visoko trdoto na razteg, visoko odpornost na oksidacijo in nizko učinek črnela žarnice. Toda ima tudi visoki temperaturni koeficient upora (0,005 /°C) in visoki termalni koeficient raztezanja (4,3 /K). Volframovi vlaknenca imajo učinkovitost okoli 12 lm/W in delovno temperaturo do 2500°C.
Volfram se uporablja tudi kot elektroda v X-zračnih cevljih in kot električni kontaktni material v določenih aplikacijah.
Kako se izdelujejo vlakna v žarnicah?
Vlakna v žarnicah se izdelujejo z različnimi postopki, odvisno od uporabljenega materiala. Nekateri izmed teh postopkov so opisani spodaj:
Ugljen
Ugljeni vlaknenca se izdelujejo z ugljenitvijo organskih materialov, kot so bambus, pametna nit, celuloza itd., v inertnem atmosferi na visokih temperaturah (1000-1500°C). Ugljeniti material se nato razteže v tanke žice in se ovije v spirale.
