Glødelys princip og konstruktion af glødelys

Den elektriske lyskilde, der fungerer på princippet om glødning, kaldes glødelampe. Med andre ord er lampen, der arbejder ved at filamentet gløder som følge af elektrisk strøm gennem det, kendt som glødelampe.

Hvordan virker glødelamper?

Når et objekt bliver varmt, bliver atomerne i objektet termisk opspændte. Hvis objektet ikke smelter, hopper de ydre baneelektroner af atomerne til højere energiniveauer på grund af den leverede energi. Elektronerne på disse højere energiniveauer er ikke stabile, de falder igen til lavere energiniveauer. Når de falder fra højere til lavere energiniveauer, frigiver elektronerne deres ekstra energi i form af fotoner. Disse fotoner udsendes derefter fra overfladen af objektet i form af elektromagnetisk stråling.

Denne stråling vil have forskellige bølgelængder. En del af bølgelængderne ligger i det synlige spektrum, og en betydelig del af bølgelængderne ligger i infrarødt område. Den elektromagnetiske bølge med bølgelængder inden for infrarødt område er varmeenergi, og den elektromagnetiske bølge med bølgelængder inden for det synlige område er lysenergi.

Glødning betyder at producere synligt lys ved at opvarme et objekt. En glødelampe fungerer på samme princip. Den enkleste form for kunstigt lys ved hjælp af elektricitet er en glødelampe. Her bruger vi elektrisk strøm til at flyde gennem et tyndt og fint filament for at producere synligt lys. Strømmen øger temperaturen af filamentet til en sådan grad, at det bliver lysende.

Historien om glødelamper

Det anses normalt, at Thomas Edison var opfinder af glødelamper, men den faktiske historie var ikke sådan. Der var flere forskere, der arbejdede og designede prototyper til glødelamper før Edison gjorde det. En af dem var den britiske fysiker Joseph Wilson Swan. Ifølge optegnelserne fik han den første patent for glødelamper. Senere fusionerede Edison og Swan for at producere glødelamper på kommercial skala.

Konstruktion af glødelamper

Filamentet er fastgjort på tværs af to ledninger. En ledning er forbundet til fodkontakten, og den anden afslutter på den metalliske base af pæreren. Begge ledninger går gennem et glasstøttelement monteret i midten nederst i pæreren. To støtteledninger, som også er fastgjort til glasstøttet, anvendes til at støtte filamentet i dets midterste del. Fodkontakten er isoleret fra den metalliske base ved hjælp af isolerende materialer. Hele systemet er indkapslet af en farvet eller fosforbelagt eller gennemsigtig glaspære. Glaspæren kan være fyldt med inert gasser, eller den kan være vakuum, afhængigt af effekten af glødelamperne.

Filamentet i glødelamper er tæthedsafviklet med en glaspære af passende form og størrelse. Denne glaspære bruges til at isolate filamentet fra omgivende luft for at forhindre oksidation af filamentet og for at minimere konvektionstrømme omkring filamentet, hvilket holder temperaturen af filamentet høj.

Glaspæren er enten holdt under vakuum eller fyldt med inerte gasser som argon med en lille procentandel kvælstof under lavt tryk. Inerte gasser bruges for at minimere evaporation af filamentet under drift af lamperne. Men på grund af konvektionstrømme af inert gas indeni pæren, vil der være større sandsynlighed for at miste varmen fra filamentet under drift.

Vakuum er en stor varmeanisolation, men det øger evaporationen af filamentet under drift. I tilfælde af gasfyldte glødelamper bruges 85% argon blandet med 15% kvælstof. Af og til kan krypton anvendes for at reducere evaporationen af filamentet, da den molekylære vægt af krypton gas er ret høj.

Men det koster mere. Ved ca. 80% af atmosfæriske tryk, er gasserne fyldt ind i pæren. Gas er fyldt i pæren med effekten over 40 W. Men for mindre end 40 W pære; bruges der ingen gas.

De forskellige dele af en glødelampe er vist nedenfor.

Filament i glødelamper

I dag findes glødelamper i forskellige effektclasser som 25, 40, 60, 75, 100 og 200 watt osv. Der findes forskellige former for pærer, men grundlæggende er alle rundede. Der anvendes hovedsageligt tre materialer til at producere filamentet i glødelamper, og disse er kul, tantal og wolfram. Kul blev tidligere brugt som filamentmateriale, men i dag bruges wolfram mest til dette formål.

Smeltepunktet for kulfilament er ca. 3500oC, og driftstemperaturen for dette filament er ca. 1800oC, hvilket giver en lav chance for evaporation. På grund af kulfilamentet, er glødelamper fri for mørkning på grund af filamentevaporation. Mørkning af filamentlamper forekommer, når molekyler af filamentmaterialet deponeres på den indre væg af glaspæren på grund af evaporation af filamentet under drift.

Denne mørkning bliver fremherskende efter lang levetid af lamperne. Effektiviteten af kulfilamentlamper er ikke god, den er ca. 4,5 lumen per watt. Tantal blev brugt som filament, men dets effektivitet er meget dårlig, den er ca. 2 lumen per watt. Dette skyldes, at tantal sjældent bruges som filamentelement.

Det mest udbredte filamentmateriale i dag er wolfram på grund af dets høje lysintensitet. Det kan give 18 lumen per watt, når det drifter ved 2000oC. Denne effektivitet kan være op til 30 lumen per watt, når det drifter ved 2500oC. Et højt smeltepunkt er en vigtig kriterie for filamentmateriale, da det skal fungere ved meget høj temperatur uden at blive evaporeret.

Selvom wolfram har et lidt dårligere smeltepunkt end kul, er wolfram stadig foretrukket som filamentmateriale. Dette skyldes høje driftstemperature, der gør wolfram meget lysintensiv. Den mekaniske styrke af wolframfilamentet er ret høj for at modstå mekaniske vibrationer.

Levetid af glødelamper

Uanset teknologien bag produktionen, har hver type glødelamper en tilnærmelsesvis levetid. Dette skyldes filamentevaporation, som kan minimeres, men ikke fuldstændigt undgås.

På grund af filamentevaporation mørkner glaspæren over tid. Pga. filamentevaporation bliver filamentet tyndere, hvilket gør filamentet mindre lysintensivt, og til sidst knækkes filamentet. Da filamentlamper er direkte forbundet til strømforsyningen, påvirkes ydelsen af pæren af spændingsfluktuationer i nettet.

Det er fundet, at lysintensiteten af en glødelampe er direkte proportional med kvadratet af spændingen, men samtidig er levetiden af lamperne invers proportional til 13te til 14te potens af spændingen. De hovedsagelige fordele ved glødelamper er, at de er billige nok og meget egnet til belysning af små arealer. Men disse lamper er ikke energieffektive, og ca. 90% af den indgående elektriske energi tabes som varme.

Tilgængelighed af glødelamper på markedet

Der findes forskellige attraktive former og størrelser af lamper på markedet. PS30 lamper har en pearform, T12 lampe er tubulær med en diameter på 1,5 tomme, R40 lampe har en reflektorlampekonstruktion med en diameter på 5 tommer. Baseret på effektfindes lamper ofte på markedet med 25, 40, 60, 75, 100, 150 og 200W osv. Vi kan følge tabellen nedenfor for at få vigtige data om