Glühbirnenprinzip und Bauweise der Glühbirne

Die elektrische Lichtquelle, die auf dem Prinzip des Glüheffekts arbeitet, wird Glühbirne genannt. Mit anderen Worten, die Lampe, die durch das Glühen des Fadens infolge des Stroms durch diesen, funktioniert, wird Glühbirne genannt.

Wie funktionieren Glühbirnen?

Wenn ein Objekt erhitzt wird, werden die Atome im Objekt thermisch angeregt. Wenn das Objekt nicht schmilzt, springen die äußeren Orbitalelektronen der Atome aufgrund der zugeführten Energie auf höhere Energieniveaus. Die Elektronen auf diesen höheren Energieniveaus sind instabil und fallen wieder auf niedrigere Energieniveaus zurück. Während sie von höheren auf niedrigere Energieniveaus fallen, geben die Elektronen ihre überschüssige Energie in Form von Photonen ab. Diese Photonen werden dann in Form elektromagnetischer Strahlung von der Oberfläche des Objekts emittiert.

Diese Strahlung hat verschiedene Wellenlängen. Ein Teil der Wellenlängen liegt im sichtbaren Bereich, und ein beträchtlicher Teil der Wellenlängen liegt im Infrarotbereich. Die elektromagnetische Welle mit Wellenlängen im Infrarotbereich ist Wärmeenergie, und die elektromagnetische Welle mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich ist Lichtenergie.

Glühend bedeutet, sichtbares Licht durch Erhitzen eines Objekts zu erzeugen. Eine Glühbirne arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Die einfachste Form einer künstlichen Lichtquelle, die Elektrizität verwendet, ist eine Glühbirne. Hier verwenden wir Strom, um durch einen dünnen und feinen Faden zu fließen, um sichtbares Licht zu erzeugen. Der Strom erhöht die Temperatur des Fadens so stark, dass dieser leuchtend wird.

Geschichte der Glühbirne

Es wird normalerweise angenommen, dass Thomas Edison der Erfinder der Glühbirne war, aber die tatsächliche Geschichte sah anders aus. Es gab zahlreiche Wissenschaftler, die vor Edison an Prototypen für die Glühbirne arbeiteten und diese entwarfen. Einer von ihnen war der britische Physiker Joseph Wilson Swan. Laut den Aufzeichnungen erhielt er das erste Patent für die Glühbirne. Später fusionierten Edison und Swan, um Glühbirnen im kommerziellen Maßstab herzustellen.

Aufbau der Glühbirne

Der Faden ist an zwei Leitern befestigt. Ein Leiter ist mit dem Fußkontakt verbunden, und der andere endet am metallischen Sockel der Birne. Beide Leiter führen durch eine Glasstütze, die in der unteren Mitte der Birne montiert ist. Zwei Stützdrähte, die ebenfalls an der Glasstütze befestigt sind, werden verwendet, um den Faden in seiner mittleren Sektion zu stützen. Der Fußkontakt ist vom metallischen Sockel durch isolierende Materialien getrennt. Das gesamte System ist in einer farbigen, phosphorbeschichteten oder transparenten Glaskugel eingeschlossen. Die Glaskugel kann mit Edelgas gefüllt sein oder vakuum gehalten werden, je nach Leistung der Glühbirne.

Der Faden der Glühbirnen ist luftdicht mit einer Glaskugel geeigneter Form und Größe evakuiert. Diese Glaskugel dient dazu, den Faden von der umgebenden Luft zu isolieren, um die Oxidation des Fadens zu verhindern und die Konvektionströmung um den Faden zu minimieren, um die Temperatur des Fadens hoch zu halten.

Die Glaskugel ist entweder vakuum oder mit Edelgasen wie Argon mit einem kleinen Prozentsatz Stickstoff bei geringem Druck gefüllt. Edelgase werden verwendet, um die Verdunstung des Fadens während des Betriebs der Lampen zu minimieren. Aufgrund der Konvektionsströmung des Edelgases innerhalb der Kugel besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit, dass der Faden während des Betriebs Wärme verliert.

Vakuum ist eine großartige Wärmedämmung, beschleunigt aber die Verdunstung des Fadens während des Betriebs. Bei gasgefüllten Glühbirnen wird 85% Argon mit 15% Stickstoff verwendet. Gelegentlich kann auch Krypton verwendet werden, um die Fadenverdunstung zu reduzieren, da das Molekulgewicht von Krypton gas recht hoch ist.

Doch es kostet mehr. Bei etwa 80% des atmosphärischen Drucks werden die Gase in die Kugel gefüllt. Gas wird in die Kugel mit einer Leistung von mehr als 40 W gefüllt. Für weniger als 40 W-Birnen wird jedoch kein Gas verwendet.

Die verschiedenen Teile einer Glühbirne sind unten dargestellt.

Faden der Glühbirne

Heutzutage sind Glühbirnen in verschiedenen Wattzahl-Angaben wie 25, 40, 60, 75, 100 und 200 Watt usw. erhältlich. Es gibt verschiedene Formen der Birnen, aber grundsätzlich sind alle rund. Hauptsächlich werden drei Materialien für die Herstellung des Fadens von Glühbirnen verwendet, und dies sind Kohlenstoff, Tantal und Wolfram. Kohlenstoff wurde früher als Fadenmaterial verwendet, aber heutzutage wird Wolfram am häufigsten verwendet.

Der Schmelzpunkt eines Kohlenstofffadens beträgt etwa 3500°C, und die Betriebstemperatur dieses Fadens liegt bei etwa 1800°C, wodurch die Verdunstungsmöglichkeit ziemlich gering ist. Daher sind Glühbirnen mit Kohlenstofffaden vor Verdunkelung aufgrund der Fadenverdunstung geschützt. Das Verdunkeln der Fadenlampe tritt auf, wenn Moleküle des Fadenmaterials auf der Innenseite der Glaskugel abgelagert werden, aufgrund der Verdunstung des Fadens während des Betriebs.

Dieses Verdunkeln wird nach einer langen Lebensdauer der Lampe deutlich. Die Effizienz der Kohlenstofffadenlampe ist nicht gut, sie beträgt etwa 4,5 Lumen pro Watt. Tantal wurde als Faden verwendet, aber seine Effizienz ist viel schlechter, sie beträgt etwa 2 Lumen pro Watt. Daher wird Tantal sehr selten als Fadenmaterial verwendet.

Das am weitesten verbreitete Fadenmaterial heutzutage ist Wolfram wegen seiner hohen lichttechnischen Effizienz. Es kann 18 Lumen pro Watt liefern, wenn es bei 2000°C betrieben wird. Diese Effizienz kann bis zu 30 Lumen pro Watt steigen, wenn es bei 2500°C betrieben wird. Der hohe Schmelzpunkt ist ein wichtiges Kriterium für Fadenmaterialien, da sie bei sehr hohen Temperaturen ohne Verdunstung arbeiten müssen.

Obwohl Wolfram einen etwas geringeren Schmelzpunkt als Kohlenstoff hat, wird Wolfram dennoch bevorzugt als Fadenmaterial, da die hohen Betriebstemperaturen Wolfram viel leuchtkräftiger machen. Die mechanische Festigkeit des Wolframfadens ist ziemlich hoch, um mechanischen Vibrationen standzuhalten.

Lebensdauer von Glühbirnen

Unabhängig von der Technologie der Herstellung hat jeder Typ von Glühbirnen eine bestimmte Lebensdauer. Dies liegt am Phänomen der Fadenverdunstung, das minimiert, aber nicht vollständig vermieden werden kann.

Aufgrund der Fadenverdunstung verdunkelt sich die Glaskugel über einen gewissen Zeitraum. Durch die Fadenverdunstung wird der Faden dünner, was ihn weniger leuchtkräftig macht, bis der Faden schließlich bricht. Da Glühbirnen direkt an die Netzspannungsleitung angeschlossen sind, beeinflussen Spannungsschwankungen in der Leitung die Leistung der Birne.

Es wurde festgestellt, dass die lichttechnische Effizienz einer Glühbirne direkt proportional zum Quadrat der Netzzugangsspannung, aber gleichzeitig die Lebensdauer der Lampe indirekt proportional zur 13ten bis 14ten Potenz der Netzzugangsspannung ist. Die Hauptvorteile von Glühbirnen sind, dass sie relativ billig und sehr geeignet für die Beleuchtung kleiner Bereiche sind. Allerdings sind diese Lampen nicht energieeffizient, und etwa 90% der eingesetzten elektrischen Energie geht als Wärme verloren.

Verfügbarkeit von Glühbirnen auf dem Markt

Es gibt verschiedene attraktive Formen und Größen von Birnen, die auf dem Markt erhältlich sind. PS30-Lampen haben eine Birnenform, T12-Birnen sind röhrenförmig mit einem Durchmesser von 1,5 Zoll, R40-Birnen haben einen Reflektor mit einem Durchmesser von 5 Zoll. Basierend auf der Verfügbarkeit der Leistungszahlen sind die Birnen auf dem Markt mit 25, 40, 60, 75, 100, 150 und 200 W usw. üblich. Wir können die folgende Tabelle verwenden, um wichtige Daten über die