Tulipallon toimintaperiaate ja tulipallon rakenne
Sähköinen valolähde, joka toimii kuuman ilmiön periaatteella, kutsutaan kuumaan valojahtoon. Toisin sanoen, lamppu, joka toimii filamentin loistamisen vuoksi, jota aiheuttaa sähkövirta sen läpi, kutsutaan kuumaan valojahtoon.
Miten kuumat valojahtot toimivat?
Kun esineelle annetaan lämpöä, esineen sisällä olevat atomit käyvät lämpöenergiaksi herättynä. Jos esine ei sulaa, atomin ulkoiset elektronit siirtyvät korkeampiin energiatasoihin saadun energian ansiosta. Nämä elektronit eivät ole vakaita korkeammilla energiatasoilla, vaan ne palavat takaisin matalampiin energiatasoihin. Siirtymällä korkeammilta energiatasoilta matalammille, elektronit vapauttavat ylimääräisen energiansa fotonien muodossa. Nämä fotoniut suorittuvat esineen pinnasta elektromagneettisena säteilynä.
Tämä säteily koostuu eri aallonpituuksista. Osa näistä aallonpituudesta on näkyvän valon aallonpituusalueella, ja merkittävä osa aallonpituudesta on infrapunaspektrissä. Elektromagneettinen aalto, jonka aallonpituus on infrapuna-alueessa, on lämmön energia, ja elektromagneettinen aalto, jonka aallonpituus on näkyvän valon alueessa, on valon energia.
Kuuma tarkoittaa näkyvän valon tuottamista esineen kuumenemisen avulla. Kuuma valojahto toimii samalla periaatteella. Yksinkertaisin sähköinen valolähde on kuuma valojahto. Tässä käytetään sähkövirtaa ohjamaan huolellisesti valmistettua filamenttiä tuottamaan näkyvää valoa. Virta nostaa filamentin lämpötilaa niin, että se tulee loistavaksi.
Kuuman valojahtolammen historia
Yleensä ajatellaan, että Thomas Edison oli kuuman valojahtolammen keksijä, mutta todellinen historia ei ole ollut sellainen. Useita tiedemiehiä työskenteli ja suunnitteli prototyyppejä kuuman valojahtolammen ennen Edisonia. Yksi heistä oli brittiläinen fyysikko Joseph Wilson Swan. Arkistojen mukaan hän sai ensimmäisen patentin kuuman valojahtolammen suunnittelusta. Myöhemmin Edison ja Swan yhdistivät voimansa tuottamaan kuuman valojahtolammen kaupalliseen mittakaavaan.
Kuuman valojahtolammen rakennus
Filamentti on kiinnitetty kahden johtovälin välillä. Yksi johtoväli on yhdistetty pohjayhteyteen ja toinen lopetettu lamppun metalliseen pohjaan. Molemmat johtovälit kulkevat lasituksen kautta, joka on asennettu lampun alaosassa keskeltä. Kaksi tukiväliä, jotka ovat myös kiinnitetty lasituksen, tukivat filamentin keskiosassa. Pohjayhteys on eristetty metallisesta pohjasta eristyksellä. Koko järjestelmä on suljettu värikkäästä, fosfori-hapon peittämästä tai läpinäkyvästä lasipallopäällystä. Lasipallo voidaan täyttää inerttikaasuilla tai se voidaan pitää tyhjänä riippuen kuuman valojahtolammen luokittelusta.
Kuuman valojahtolammen filamentti on tiiviisti suljettu sopivan muodon ja koon lasipallossa. Tämä lasipallo eristää filamentin ympäröivästä ilmasta estääkseen filamentin oksidoinnin ja vähentääkseen filamentin lämpötilan pudotusta ympäröivän ilman liikkeen ansiosta.
Lasipallo on joko tyhjä tai täytetty inerttikaasuilla, kuten argonilla, jossa on pieni prosenttiosuus typistä alhaisessa paineessa. Inerttikaasut käytetään vähentämään filamentin evapoointia lampun käytön aikana. Mutta inerttikaasun konvektion virtauksen vuoksi lasipallon sisällä on suurempi mahdollisuus filamentin lämpöenergian menetykseen käytössä.
Jälleen tyhjiö on hyvä lämpöeriste, mutta se nopeuttaa filamentin evapoointia käytössä. Kaasullisissa kuuman valojahtolammissa käytetään 85 % argonia ja 15 % typiä. Vaihtoehtoisesti krypton voi käytetä vähentämään filamentin evapoointia, koska kryptonin molekyylin massa on huomattavan suuri.
Mutta se maksaa enemmän. Nojaten atmosfäärin paineen 80 %, kaasu täytetään lampun sisään. Kaasu täytetään lampussa, joka on yli 40 W. Alle 40 W lampussa ei käytetä kaasua.
Erilaiset kuuman valojahtolammen osat on näkyvissä alla.
Kuuman valojahtolammen filamentti
Nykyään kuumia valojahtolamppoja on saatavilla eri wattariluokituksissa, kuten 25, 40, 60, 75, 100 ja 200 wattia jne. Lamppuja on erilaisia muotoja, mutta perustavalti kaikki ovat pyöreitä. Filamentin valmistukseen käytetään pääasiassa kolmea materiaalia, ja nämä ovat hiili, tantali ja woli. Hiiliä käytettiin aiemmin filamenttimateriaalina, mutta nykyään wolia käytetään eniten tähän tarkoitukseen.
Hiilifilamentin sulamispiste on noin 3500°C, ja tämän filamentin toimintalämpötila on noin 1800°C, joten evapoointimahdollisuus on hyvin pieni. Siksi hiilifilamentin kuuma valojahtolamppu on suojauduttu tummenevasta filamentin evapooinnista. Filamentin evapoointi tapahtuu, kun filamenttimateriaalin molekyylit sijoittuvat lasipallon sisäpuolle käytössä.
Tämä tummenevuus tulee esiin lampun pitkän elinkaaren jälkeen. Hiilifilamentin kuuman valojahtolammen tehokkuus ei ole hyvä, se on noin 4,5 lumenia per watt. Tantalaa käytettiin filamenttinä, mutta sen tehokkuus on huomattavasti heikompi, se on noin 2 lumenia per watt. Tämän vuoksi tantalia käytetään harvoin filamenttinä.
Nykyään laajalle levinnyt filamenttimateriaali on woli sen korkean valotehokkuuden vuoksi. Se voi tuottaa 18 lumenia per watt, kun se toimii 2000°C. Tämä tehokkuus voi olla jopa 30 lumenia per watt, kun se toimii 2500°C. Korkea sulamispiste on tärkeä kriteeri filamenttimateriaalille, sillä se on tarkoitus toimia erittäin korkeassa lämpötilassa ilman evapoointia.
Vaikka wolilla on vähän huonompi sulamispiste kuin hiilillä, wolista on edelleen enemmän suosittua filamenttimateriaalina. Tämä johtuu korkeasta toimintalämpötilasta, joka tekee wolista paljon tehokkaampaa. Wolifilamentin mekaaninen vahvuus on hyvin suuri, jotta se kestää mekaanisia värähtelyjä.
Kuuman valojahtolammen käyttöikä
Riippumatta valmistustekniikasta, jokaisella kuuman valojahtolammen tyypillä on jokin likimääräinen käyttöikä. Tämä johtuu filamentin evapoointi-ilmiöstä, jota voidaan vähentää, mutta sitä ei voi välttää kokonaan.
Filamentin evapooinnin vuoksi lasipallo tummenee ajan myötä. Filamentin evapooinnin myötä filamentti tulee ohuemaksi, mikä tekee filamentistä vähemmän tehokkaan valollisena ja lopulta filamentti katkeaa. Koska filamenttiporat on yhdistetty suoraan sähköverkkoon, verkon jännitefluktuatiot vaikuttavat lampun suorituskykyyn.
On havaittu, että kuuman valojahtolammen valollisuus on suoraan verrannollinen sähköverkon jännitteen neliöön, mutta samaan aikaan lampun käyttöikä on kääntäen verrannollinen sähköverkon jännitteen 13:nnettiin tai 14:nnettiin potenssiin. Kuuman valojahtolammen pääedut ovat, että ne ovat tarpeeksi edullisia ja hyvin soveltuavia pieniin alueisiin. Mutta nämä lamput eivät ole energiatehokkaita, ja noin 90 % syöttöenergiasta menee häviöksi lämpönä.
Kuuman valojahtolammen saatavuus markkinoilla
Markkinoilla on saatavilla erilaisia houkuttelevia muotoja ja kokoja. PS30-lamput ovat pirunmuotoisia, T12-lamppu on putkipituinen, jonka halkaisija on 1,5 tuumaa, R40-lamppu on peiliheijastimen kanssa, jonka halkaisija on 5 tuumaa. Wattariluokituksen mukaan lamput ovat y
