Materijal za žicu sijalice: Šta treba da znate

Žičica svetiljke je tanki žicni element koji svetli kada kroz nju prođe električna struja. To je glavni deo sijalice, koja proizvodi svetlost zagrevanjem žičice na visoku temperaturu. Materijal iz kojeg je izrađena žičica mora imati određene osobine kako bi mogao da izdrži toplinu i proizvede svetlu i stabilnu svetlost. U ovom članku ćemo istražiti istoriju, karakteristike i primene različitih materijala za žičice, kao i prednosti i nedostatke sijalica sa žarulom.

Šta je sijalica sa žarulom?

Sijalica sa žarulom definisana je kao električna svetiljka koja proizvodi svetlost zagrevanjem žičice do visoke temperature dok ne počne da svetli. Žičica je smještena u stakleni lonac koji sadrži vakuum ili inertni plin kako bi se spriječilo oksidiranje i isparavanje materijala iz kojeg je izrađena žičica. Lonac povezan je sa napajanjem putem dva metala kontakta na bazi, koji su pričvršćeni na dve čvrste žice koje drže žičicu na mjestu.

Princip rada sijalica sa žarulom otkrili su mnogi izumitelji u 18. i 19. veku, ali prva praktična i komercijalno uspešna sijalica sa žarulom razvijena je od strane Thomasa Edisona 1879. godine. Koristio je karbonizirani bambusov filament koji je trajao oko 1200 sati. Kasnije, poboljšao je svoj dizajn koristeći karboniziranu pamukastu nit koja je trajala oko 1500 sati.

Koji su osobini dobrog materijala za žičicu sijalice?

Materijal za žičicu sijalice mora imati sljedeće osobine kako bi dobro funkcionirao kao izvor incandescencije:

• Visoka tačka taljenja: Žičica mora moći da izdrži temperature do 2500°C bez taljenja ili loma.

• Niska parna tlak: Žičica ne smije isparavati ili sublimirati na visokim temperaturama, što bi dovelo do crnenja lonca i smanjenja svjetline i efikasnosti.

• Osetljiva na oksidaciju: Žičica ne smije reagirati sa kiseonikom ili drugim plinovima u loncu na visokim temperaturama, što bi dovelo do korozije ili izgaranja.

• Visoka električna otpornost: Žičica mora imati visoku električnu otpornost, što znači da se suprotstavlja protoku električne struje. To dovodi do zagrijavanja i emitovanja svetlosti kada kroz nju prođe struja.

• Niska termalna koeficijent ekspanzije: Žičica ne smije značajno se širiti ili skupljati kada se zagrije ili ohladi, što bi dovelo do deformacije ili loma.

• Niski koeficijent temperature otpornosti: Žičica ne smije značajno promeniti svoju otpornost kada se zagrije ili ohladi, što bi uticalo na njen tok i svjetlinu.

• Visok Youngov modul i tenzorska čvrstoća: Žičica mora moći da izdrži mehanički stress uzrokovan sopstvenom težinom i vibracijama bez spuštanja ili loma.

• Dovoljna duktilnost: Žičica mora moći da se povlači u vrlo tanaku žicu bez loma ili pucanja.

• Sposobnost pretvaranja u oblik žičice: Žičica mora moći da se formira u spirale ili dvostruke spirale, što povećava površinu i svjetlinu bez povećanja dužine ili otpornosti.

• Visoka otpornost na umor: Žičica mora moći da izdrži ponavljajuće cikluse zagrijavanja i hlađenja bez oslabljanja ili loma.

Koji su tipovi materijala za žičice sijalica?

Tokom godina, različite vrste materijala su korišćene za pravljenje žičica sijalica. Neke od tih materijala su navedene ispod:

Ugljen

Ugljen je bio prvi materijal koji je Edison i drugi izumitelji koristili za pravljenje žičica sijalica. Ima visoku tačku taljenja (3500°C), niski parni tlak, visoku električnu otpornost (1000-7000 µΩ-cm) i niski koeficijent temperature otpornosti (-0.0002 do -0.0008 /°C). Međutim, ima i nisku otpornost na oksidaciju, visok termalni koeficijent ekspanzije (2 do 6 /K), nisku tenzorsku čvrstoću i visok efekt crnenja na loncu. Ugljeni filamenti imaju efikasnost od oko 4.5 lumeni po vat (lm/W) i radnu temperaturu do 1800°C.

Ugljen se takođe koristi za pravljenje otpornika pod uticajem pritiska, koji se koriste u automatskim regulatorima napona, i ugljenim cepanjima, koji se koriste u DC mašinama.

Tantal

Tantal je 1902. godine uvodio Werner von Bolton kao materijal za žičice sijalica. Ima visoku tačku taljenja (2900°C), niski parni tlak, visoku električnu otpornost (12.4 µΩ-cm) i niski termalni koeficijent ekspanzije (6.5 /K). Međutim, ima i nisku otpornost na oksidaciju, visok koeficijent temperature otpornosti (0.0036 /°C), nisku tenzorsku čvrstoću i nisku efikasnost (3.6 W/svjetlosna snaga). Tantalne žičice imaju radnu temperaturu do 2000°C.

Tantal više nije široko korišćen kao materijal za žičice sijalica zbog njegove niske efikasnosti i retkosti.

Volfram

Volfram je najčešće korišćen materijal za pravljenje žičica sijalica danas. Prvi put ga je koristio William D. Coolidge 1910. godine. Ima veoma visoku tačku taljenja (3410°C), niski parni tlak, visoku električnu otpornost (5.65 µΩ-cm), visoku tenzorsku čvrstoću, visoku otpornost na oksidaciju i niski efekt crnenja na loncu. Međutim, ima i visok koeficijent temperature otpornosti (0.005 /°C) i visok termalni koeficijent ekspanzije (4.3 /K). Volframne žičice imaju efikasnost od oko 12 lm/W i radnu temperaturu do 2500°C.

Volfram se takođe koristi kao elektroda u X-zracnim cevima i kao materijal za električne kontakte u određenim primenama.

Kako se prave žičice sijalica?

Žičice sijalica se prave različitim procesima, u zavisnosti od korišćenog materijala. Neki od tih procesa su opisani ispod:

Ugljen

Ugljeni filamenti se prave karbonizacijom organskih materijala, poput bambusa, pamukastih niti, papirnastih pulpi itd., u inerten atmosferi na visokim temperaturama (1000-1500°C). Karbonizirani materijal se zatim povlači u tanke žice i navija u spirale.

Tantal