วัสดุไส้หลอดไฟ: สิ่งที่คุณควรรู้

ไส้หลอดไฟเป็นลวดบางที่เปล่งแสงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไป มันเป็นส่วนประกอบหลักของหลอดไฟแอลคันเดสเซนต์ ซึ่งผลิตแสงโดยการให้ความร้อนกับไส้หลอดจนถึงอุณหภูมิสูง วัสดุของไส้หลอดต้องมีคุณสมบัติพิเศษเพื่อทนทานต่อความร้อนและสามารถผลิตแสงสว่างและมั่นคง ในบทความนี้ เราจะสำรวจประวัติ คุณสมบัติ และการใช้งานของวัสดุไส้หลอดที่แตกต่างกัน รวมถึงข้อดีและข้อเสียของหลอดไฟแอลคันเดสเซนต์

หลอดไฟแอลคันเดสเซนต์คืออะไร?

หลอดไฟแอลคันเดสเซนต์หมายถึงหลอดไฟที่ผลิตแสงโดยการให้ความร้อนกับไส้หลอดลวดจนถึงอุณหภูมิสูงจนทำให้มันเปล่งแสง ไส้หลอดถูกปิดอยู่ในหลอดแก้วที่มีสุญญากาศหรือแก๊สเฉื่อยเพื่อป้องกันการออกซิไดซ์และการระเหยของวัสดุไส้หลอด หลอดไฟเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟโดยสองตัวต่อโลหะที่ฐาน ซึ่งติดอยู่กับสองลวดแข็งที่ยึดไส้หลอดไว้

หลักการของการส่องสว่างด้วยหลอดไฟแอลคันเดสเซนต์ถูกค้นพบโดยนักประดิษฐ์หลายคนในศตวรรษที่ 18 และ 19 แต่หลอดไฟแอลคันเดสเซนต์ที่แรกที่มีประสิทธิภาพและประสบความสำเร็จทางการค้าได้ถูกพัฒนาโดยโธมัส เอดิสันในปี 1879 เขาใช้ไส้หลอดจากไม้ไผ่ที่ถูกคาร์บอนไทด์ซึ่งสามารถใช้งานได้นานประมาณ 1200 ชั่วโมง ต่อมาเขาปรับปรุงการออกแบบของเขาโดยใช้ไส้หลอดจากเส้นด้ายฝ้ายที่ถูกคาร์บอนไทด์ซึ่งสามารถใช้งานได้นานประมาณ 1500 ชั่วโมง

คุณสมบัติของวัสดุไส้หลอดที่ดีคืออะไร?

วัสดุของไส้หลอดต้องมีคุณสมบัติต่อไปนี้เพื่อทำงานได้ดีในฐานะแหล่งกำเนิดแสงแอลคันเดสเซนต์:

• จุดหลอมเหลวสูง: ไส้หลอดต้องสามารถทนทานต่ออุณหภูมิสูงถึง 2500°C โดยไม่ละลายหรือแตก

• แรงดันไอต่ำ: ไส้หลอดต้องไม่ระเหิดหรือย่อยสลายที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะทำให้หลอดไฟดำและลดความสว่างและความมีประสิทธิภาพ

• ไม่เกิดออกซิเดชัน: ไส้หลอดต้องไม่เกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือแก๊สอื่น ๆ ในหลอดไฟที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะทำให้มันเกิดการกัดกร่อนหรือไหม้

• ความต้านทานไฟฟ้าสูง: ไส้หลอดต้องมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ซึ่งหมายความว่ามันต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า ทำให้มันร้อนและปล่อยแสงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่าน

• สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ: ไส้หลอดต้องไม่ขยายหรือหดตัวมากเมื่อร้อนหรือเย็น ซึ่งจะทำให้มันบิดเบี้ยวหรือแตก

• สัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิต่ำ: ไส้หลอดต้องไม่เปลี่ยนแปลงความต้านทานมากเมื่อร้อนหรือเย็น ซึ่งจะส่งผลต่อกระแสไฟฟ้าและความสว่าง

• โมดูลัสยัง และความแข็งแรงแรงดึงสูง: ไส้หลอดต้องสามารถทนทานต่อความเครียดจากการหนักและการสั่นสะเทือนโดยไม่หย่อนหรือขาด

• ความยืดหยุ่นเพียงพอ: ไส้หลอดต้องสามารถถูกดึงเป็นลวดบางๆ โดยไม่แตกหรือแตกร้าว

• ความสามารถในการทำเป็นรูปทรงของไส้หลอด: ไส้หลอดต้องสามารถทำเป็นวงกลมหรือวงกลมคู่ ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวและความสว่างโดยไม่เพิ่มความยาวหรือความต้านทาน

• ความต้านทานการเหนื่อยล้าสูง: ไส้หลอดต้องสามารถทนทานต่อการร้อนและเย็นซ้ำๆ โดยไม่เสื่อมหรือเสียหาย

ประเภทของวัสดุไส้หลอดมีอะไรบ้าง?

วัสดุหลายประเภทได้ถูกใช้ในการผลิตไส้หลอดตลอดหลายปี วัสดุบางประเภทที่ถูกใช้มีดังนี้:

คาร์บอน

คาร์บอนเป็นวัสดุแรกที่ใช้ในการผลิตไส้หลอดโดยเอดิสันและนักประดิษฐ์คนอื่น ๆ มันมีจุดหลอมเหลวสูง (3500°C) แรงดันไอต่ำ ความต้านทานไฟฟ้าสูง (1000-7000 µΩ-cm) และสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิต่ำ (-0.0002 ถึง -0.0008 /°C) อย่างไรก็ตาม มันยังมีความต้านทานต่อออกซิเดชันต่ำ สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง (2 ถึง 6 /K) ความแข็งแรงแรงดึงต่ำ และผลทำให้หลอดไฟดำ ไส้หลอดคาร์บอนมีประสิทธิภาพประมาณ 4.5 ลูเมนต่อวัตต์ (lm/W) และอุณหภูมิการทำงานสูงสุดถึง 1800°C

คาร์บอนยังถูกใช้ในการผลิตตัวต้านทานที่ไวต่อแรงกด ซึ่งใช้ในระบบควบคุมแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ และแปรงคาร์บอน ซึ่งใช้ในเครื่องยนต์กระแสตรง.

แทนทาลัม

แทนทาลัมถูกนำมาใช้เป็นวัสดุไส้หลอดโดยเวอร์เนอร์ ฟอน โบลตันในปี 1902 มันมีจุดหลอมเหลวสูง (2900°C) แรงดันไอต่ำ ความต้านทานไฟฟ้าสูง (12.4 µΩ-cm) และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ (6.5 /K) อย่างไรก็ตาม มันยังมีความต้านทานต่อออกซิเดชันต่ำ สัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิสูง (0.0036 /°C) ความแข็งแรงแรงดึงต่ำ และประสิทธิภาพต่ำ (3.6 W/candle power) ไส้หลอดแทนทาลัมมีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดถึง 2000°C

แทนทาลัมไม่ได้ถูกใช้เป็นวัสดุไส้หลอดอย่างกว้างขวางอีกต่อไปเนื่องจากประสิทธิภาพต่ำและหายาก

ทังสเตน

ทังสเตนเป็นวัสดุที่ใช้ในการผลิตไส้หลอดมากที่สุดในปัจจุบัน มันถูกใช้ครั้งแรกโดยวิลเลียม ดี. คูลิดจ์ในปี 1910 มันมีจุดหลอมเหลวสูง (3410°C) แรงดันไอต่ำ ความต้านทานไฟฟ้าสูง (5.65 µΩ-cm) ความแข็งแรงแรงดึงสูง ความต้านทานต่อออกซิเดชันสูง และผลทำให้หลอดไฟดำต่ำ อย่างไรก็ตาม มันยังมีสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิสูง (0.005 /°C) และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง (4.3 /K) ไส้หลอดทังสเตนมีประสิทธิภาพประมาณ 12 lm/W และอุณหภูมิการทำงานสูงสุดถึง 2500°C

ทังสเตนยังถูกใช้เป็นอิเล็กโทรดในหลอดเอ็กซ์เรย์และเป็นวัสดุติดต่อไฟฟ้าในบางแอปพลิเคชัน

ไส้หลอดถูกผลิตอย่างไร?

ไส้หลอดถูกผลิตโดยกระบวนการต่างๆ ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ กระบวนการบางอย่างได้รับคำอธิบายดังต่อไปนี้:

คาร์บอน