Princip rada žarulje i konstrukcija žarulje

Električna svjetiljka koja radi na principu žarišta zove se žarulja. Drugim riječima, svjetiljka koja radi zbog svjetljenja žice uzrokovano električnim strujanjem kroz nju, zove se žarulja.

Kako rade žarulje?

Kada se objekt zagrije, atomi unutar objekta postaju toplinski uzbudeni. Ako se objekt ne otopi, vanjski elektroni atomskih orbihta skoče na više energetske razine zbog pružene energije. Elektroni na tim višim energetskim razinama nisu stabilni, pa opet padnu na niže energetske razine. Dok padaju s viših na niže energetske razine, elektroni oslobađaju svoju dodatnu energiju u obliku fotonova. Ovi fotoni zatim emitiraju se s površine objekta u obliku elektromagnetskog zračenja.

Ovo zračenje će imati različite valne duljine. Dijelom valne duljine su u vidljivom spektru, a značajan dijelom valnih duljina je u infracrvenom području. Elektromagnetski valovi s valnim duljinama u infracrvenom području predstavljaju toplinsku energiju, a oni s valnim duljinama u vidljivom području predstavljaju svjetlosnu energiju.

Žarište znači stvaranje vidljivog svjetla zagrijavanjem objekta. Žarulja radi na istom principu. Najjednostavniji oblik umjetnog izvora svjetla koristeći elektricitet je žarulja. Ovdje koristimo električno strujanje da protiče kroz tanku i fino žicu kako bi se proizvelo vidljivo svjetlo. Struja povećava temperaturu žice do tolikog stupnja da postane svjetlosna.

Povijest žarulja

Obično se smatra da je Thomas Edison bio izumitelj žarulja, ali zapravo povijest nije bila tako. Bilo je brojnih znanstvenika koji su radili i dizajnirali prototipove za žarulje prije Edisona. Jedan od njih bio je britanski fizičar Joseph Wilson Swan. Iz zapisnika se vidi da je prvu patentirao žarulju. Kasnije Edison i Swan spajaju proizvodnju žarulja u komercijalnom mjerilu.

Konstrukcija žarulja

Žica je pričvršćena na dvije vodilice. Jедна vodilica je spojena s kontaktom na podnožju, a druga se završava na metalnoj bazi svjetiljke. Obje vodilice prolaze kroz stakleni nosač smješten u sredini donjeg dijela svjetiljke. Dvije podršne vodilice također pričvršćene su na stakleni nosač, koriste se za podršku žici u središnjem dijelu. Kontakt na podnožju je izoliran od metala baze upotrebom izolacijskog materijala. Cijeli sustav je okružen bojenom ili fosfor-pokrivenom ili prozirnim staklenim omotačem. Stakleni omotač može biti ispunjen inertnim plinovima ili održavati vakuum, ovisno o ocjeni žarulje.

Žica žarulja je hermetično evakuirana sa staklenim omotačem odgovarajuće forme i veličine. Taj stakleni omotač koristi se za izolaciju žice od okolišnog zraka kako bi se sprečilo oksidiranje žice i smanjio konvekcijski tok oko žice, čime se održava visoka temperatura žice.

Stakleni omotač može biti održavan pod vakuumom ili ispuniti inertnim plinovima poput argona s malim udjelom azota pod niskim tlakom. Inertni plinovi koriste se za smanjenje isparavanja žice tijekom rada svjetiljki. Međutim, zbog konvekcijskog toka inerta plina unutar omotača, veća je vjerojatnost gubitka topline žice tijekom rada.

Ponovno, vakuum je veliki izolator topline, ali ubrzava isparavanje žice tijekom rada. U slučaju plin-ispunjenih žarulja, koristi se 85% argona smiještenog s 15% azota. Ponekad se koristi kripton kako bi se smanjilo isparavanje žice, jer je molekulska težina kriptona vrlo visoka.

Ali to je skuplje. Plinovi su ispunjeni u omotač pod otprilike 80% atmosferskog tlaka. Plin se ispunjava u omotač za svjetiljke s ocjenom većom od 40 W. Za svjetiljke manje od 40 W, plin se ne koristi.

Različiti dijelovi žarulja prikazani su ispod.

Žica žarulja

Danas su žarulje dostupne u različitim ocjenama snage, poput 25, 40, 60, 75, 100 i 200 vata itd. Postoje različite forme svjetiljki, ali uglavnom su okrugle. Glavni su materijali koristeni za proizvodnju žice žarulja ugljični, tantal i volfram. Ugljični materijal se ranije koristio za žicu, ali danas najčešće se koristi volfram.

Tačka taljenja ugljične žice iznosi oko 3500°C, a radna temperatura ove žice iznosi oko 1800°C, stoga je mogućnost isparavanja vrlo niska. Zbog toga su žarulje s ugljičnom žicom slobodne od tamnjenja zbog isparavanja žice. Tamnjenje žarulja događa se kada se molekule materijala žice odlaze na unutrašnju staklu svjetiljke zbog isparavanja žice tijekom rada.

Ovo tamnjenje postaje izraženo nakon dugog životnog vijeka svjetiljke. Efikasnost žarulja s ugljičnom žicom nije dobra, iznosi oko 4,5 lumeni po vat. Tantal se koristio kao žica, ali njegova efikasnost je vrlo slaba, iznosi oko 2 lumeni po vat. Zbog toga se rijetko koristi kao element žice.

Najšire korišteni materijal za žicu danas je volfram zbog njegove visoke luminosne efikasnosti. Može dati 18 lumeni po vat kada radi na 2000°C. Ova efikasnost može doseći do 30 lumeni po vat kada radi na 2500°C. Visoka tačka taljenja je ključni kriterij za materijal žice, jer mora raditi na vrlo visokoj temperaturi bez isparavanja.

Iako volfram ima malo lošiju tačku taljenja od ugljika, ipak je volfram preferentniji kao materijal za žicu. To je zbog visokih radnih temperatura koje čine volfram mnogo efikasnijim u luminosnosti. Mjehurična čvrstoća žice od volframa je vrlo visoka kako bi otpirala mehaničke vibracije.

Životni vijek žarulja

Bez obzira na tehnologiju proizvodnje, svaki tip žarulja ima približan životni vijek. To je zbog fenomena isparavanja žice, koji se može smanjiti, ali ne može potpuno izbjeći.

Zbog isparavanja žice, staklo svjetiljke tamni se tijekom vremena. Zbog isparavanja žice, žica postaje tanja, što ju čini manje efikasnom u luminosnosti, a na kraju se žica prekida. Budući da su žarulje direktno spojene na naponsku liniju, fluktuacije napona na liniji utječu na performanse svjetiljke.

Utvrđeno je da je luminosna efikasnost žarulja direktno proporcionalna kvadratu napajanja, ali u isto vrijeme, životni vijek svjetiljke je obrnuto proporcionalan 13. do 14. snage napajanja. Glavne prednosti žarulja su da su dovoljno jeftine i vrlo prikladne za osvjetljenje malih prostora. Međutim, ove svjetiljke nisu energetski učinkovite, i oko 90% ulazne električne energije gubi se kao toplina.

Dostupnost žarulja na tržištu

Na tržištu su dostupne različite atraktivne forme i veličine svjetiljki. PS30 svjetiljke imaju gruskastu formu, T12 svjetiljka je tub