Chất liệu sợi đốt bóng đèn: Những điều bạn cần biết
Dây tóc đèn là một sợi dây mỏng phát sáng khi có dòng điện đi qua. Đây là thành phần chính của bóng đèn sợi đốt, tạo ra ánh sáng bằng cách làm nóng dây tóc đến nhiệt độ cao. Vật liệu dây tóc phải có các đặc tính nhất định để chịu được nhiệt và tạo ra ánh sáng sáng và ổn định. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá lịch sử, đặc tính và ứng dụng của các vật liệu dây tóc khác nhau, cũng như ưu điểm và nhược điểm của bóng đèn sợi đốt.
Đèn sợi đốt là gì?
Đèn sợi đốt được định nghĩa là một loại đèn điện tạo ra ánh sáng bằng cách làm nóng một sợi dây tóc đến nhiệt độ cao cho đến khi nó phát sáng. Sợi dây tóc được bao quanh bởi một quả bóng thủy tinh chứa chân không hoặc khí trơ để ngăn chặn sự oxy hóa và bay hơi của vật liệu dây tóc. Bóng đèn được kết nối với nguồn điện thông qua hai tiếp điểm kim loại ở đáy, được gắn vào hai dây cứng giữ dây tóc ở vị trí cố định.
Nguyên lý của đèn sợi đốt đã được nhiều nhà phát minh khám phá trong thế kỷ 18 và 19, nhưng bóng đèn sợi đốt thực tế và thương mại đầu tiên được phát triển bởi Thomas Edison vào năm 1879. Ông sử dụng dây tóc từ tre đã được carbon hóa, kéo dài khoảng 1200 giờ. Sau đó, ông cải tiến thiết kế của mình bằng cách sử dụng dây tóc từ sợi cotton đã được carbon hóa, kéo dài khoảng 1500 giờ.
Vật liệu dây tóc tốt cần có những đặc tính gì?
Vật liệu dây tóc phải có các đặc tính sau để hoạt động tốt như một nguồn sáng sợi đốt:
Điểm nóng chảy cao: Dây tóc phải có thể chịu được nhiệt độ lên đến 2500°C mà không bị chảy hoặc gãy.
Áp suất hơi thấp: Dây tóc không được bay hơi hoặc sublimation ở nhiệt độ cao, điều này sẽ khiến bóng đèn bị đen và giảm độ sáng và hiệu suất.
Không bị oxi hóa: Dây tóc không được phản ứng với oxi hoặc các khí khác trong bóng đèn ở nhiệt độ cao, điều này sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn hoặc cháy hỏng.
Kháng suất cao resistivity: Dây tóc phải có kháng suất điện cao, nghĩa là nó chống lại dòng điện. Điều này khiến nó nóng lên và phát sáng khi có dòng điện đi qua.
Hệ số nở nhiệt thấp: Dây tóc không được giãn nở hoặc co lại đáng kể khi nóng hoặc lạnh, điều này sẽ khiến nó biến dạng hoặc gãy.
Hệ số nhiệt độ của kháng suất thấp: Dây tóc không được thay đổi kháng suất đáng kể khi nóng hoặc lạnh, điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng điện và độ sáng.
Mô đun Young và sức căng cao: Dây tóc phải có thể chịu được áp lực cơ học do trọng lượng và rung động của chính nó mà không bị chùng xuống hoặc gãy.
Độ dẻo đủ: Dây tóc phải có thể được kéo thành sợi rất mỏng mà không bị gãy hoặc nứt.
Có khả năng tạo hình dạng dây tóc: Dây tóc phải có thể được tạo thành hình xoắn hoặc xoắn đôi, tăng diện tích bề mặt và độ sáng mà không tăng chiều dài hoặc kháng suất.
Kháng mệt mỏi cao: Dây tóc phải có thể chịu được nhiều chu kỳ nóng và lạnh lặp đi lặp lại mà không bị yếu hoặc hỏng.
Các loại vật liệu dây tóc bóng đèn là gì?
Trải qua nhiều năm, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được sử dụng để làm dây tóc bóng đèn. Một số vật liệu này được liệt kê dưới đây:
Carbon
Carbon là vật liệu đầu tiên được sử dụng để làm dây tóc bóng đèn bởi Edison và các nhà phát minh khác. Nó có điểm nóng chảy cao (3500°C), áp suất hơi thấp, kháng suất cao (1000-7000 µΩ-cm) và hệ số nhiệt độ của kháng suất thấp (-0,0002 đến -0,0008 /°C). Tuy nhiên, nó cũng có khả năng chống oxi hóa thấp, hệ số nở nhiệt cao (2 đến 6 /K), sức căng thấp và tác dụng làm đen bóng đèn cao. Dây tóc carbon có hiệu suất khoảng 4,5 lumens mỗi watt (lm/W) và nhiệt độ hoạt động lên đến 1800°C.
Carbon cũng được sử dụng để làm các bộ phận cảm ứng áp suất điện trở, được sử dụng trong các bộ điều chỉnh điện áp tự động, và các bàn chải carbon, được sử dụng trong máy điện DC.
Tantalum
Tantalum được giới thiệu làm vật liệu dây tóc bóng đèn bởi Werner von Bolton vào năm 1902. Nó có điểm nóng chảy cao (2900°C), áp suất hơi thấp, kháng suất cao (12,4 µΩ-cm) và hệ số nở nhiệt thấp (6,5 /K). Tuy nhiên, nó cũng có khả năng chống oxi hóa thấp, hệ số nhiệt độ của kháng suất cao (0,0036 /°C), sức căng thấp và hiệu suất thấp (3,6 W/candle power). Dây tóc tantalum có nhiệt độ hoạt động lên đến 2000°C.
Tantalum không còn được sử dụng rộng rãi làm vật liệu dây tóc bóng đèn nữa do hiệu suất thấp và khan hiếm.
Tungsten
Tungsten là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để làm dây tóc bóng đèn ngày nay. Nó được sử dụng lần đầu tiên bởi William D. Coolidge vào năm 1910. Nó có điểm nóng chảy rất cao (3410°C), áp suất hơi thấp, kháng suất cao (5,65 µΩ-cm), sức căng cao, khả năng chống oxi hóa cao và tác dụng làm đen bóng đèn thấp. Tuy nhiên, nó cũng có hệ số nhiệt độ của kháng suất cao (0,005 /°C) và hệ số nở nhiệt cao (4,3 /K). Dây tóc tungsten có hiệu suất khoảng 12 lm/W và nhiệt độ hoạt động lên đến 2500°C.
Tungsten cũng được sử dụng làm điện cực trong ống X-quang và làm vật liệu tiếp xúc điện trong một số ứng dụng.
Dây tóc bóng đèn được sản xuất như thế nào?
Dây tóc bóng đèn được sản xuất bằng nhiều quy trình khác nhau tùy theo vật liệu được sử dụng. Một số quy trình này được mô tả dưới đây:
Carbon
Dây tóc carbon được sản xuất bằng cách carbon hóa các vật liệu hữu cơ như tre, sợi bông, bột giấy, v.v., trong không khí trơ ở nhiệt độ cao (1000-1500°C). Vật liệu đã được carbon hóa sau đó được kéo thành sợi mỏng và cuộn thành hình xoắn.
Tantalum
Dây tóc tantalum được sản xuất bằng kỹ thuật luyện kim bột. Bột tantalum được trộn với chất kết dính và ép thành thanh hoặc sợi. Thanh hoặc sợi sau đó được sinter ở nhiệt độ cao (2000-2500°C) trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Thanh hoặc sợi đã được sinter sau đó được kéo thành sợi mỏng và cuộn thành hình xoắn.
Tungsten
Dây tóc tungsten được sản xuất qua nhiều bước:
Quặng tungsten được khai thác từ khoáng vật wolframite hoặc scheelite và chuyển đổi thành axit tungstic hoặc amoni paratungstat.
Axit tungstic hoặc amoni paratungstat được khử bằng khí hydro để tạo thành bột tungsten.
Bột tungsten được trộn với chất kết dính và ép thành thanh hoặc sợi.
Thanh hoặc sợi được sinter ở nhiệt độ cao (2000-3000°C) trong môi trường chân không hoặc khí trơ.
