Incandeszciós lámpa működési elve és incandeszciós lámpa szerkezete
Az incandescens jelenség alapján működő elektromos fényforrásot incandescens lámpának nevezik. Más szóval, az a lámpa, amely egy elektromos áram hatására égő szál miatt működik, incandescens lámpának nevezzük.
Hogyan működnek az incandescens lámpák?
Amikor egy tárgyat melegítünk, a tárgyban lévő átomok hőmérsékleti felkutatódásba kerülnek. Ha a tárgy nem olvad, a átomok külső pályáján lévő elektronok magasabb energiaszintre ugrálnak a megadott energiával. Ezek a magasabb energiaszinten lévő elektronok instabilak, ezért visszaesnek alacsonyabb energiaszintre. Az energia-szintek közötti ugrás során az elektronok fotonok formájában adnak ki a felesleges energiukat. Ezek a fotonok elektromágneses sugárzás formájában jelennek meg a tárgy felületén.
Ez a sugárzás különböző hullámhosszú. A hullámhosszak egy része a látható hullámhossz tartományban van, és jelentős része az infravörös tartományban. Az infravörös hullámhosszal rendelkező elektromágneses hullám hőenergia, a látható hullámhosszal rendelkező elektromágneses hullám pedig fényenergia.
Incandescens azt jelenti, hogy a látható fényt egy tárgy melegítésével állítjuk elő. Egy incandescens lámpa ugyanilyen elv szerint működik. Az elektromossággal működő legegyszerűbb mesterséges fényforrás egy incandescens lámpa. Itt elektromos áramot használunk, hogy áthaladjon egy vékony, finoman szálban, ami látható fényt produkál. Az áram olyan mértékben emeli a szál hőmérsékletét, hogy ezt láthatóvá teszi.
Incandescens lámpák története
Általában úgy gondolják, hogy Thomas Edison volt az incandescens lámpa feltalálója, de a valós történet nem így zajlott. Sok tudós dolgozott az incandescens lámpa prototípusán, mielőtt Edison megoldást talált volna. Az egyik ilyen tudós a brit fizikus Joseph Wilson Swan volt. A dokumentumok szerint ő kapta az első patentet az incandescens lámpára. Később Edison és Swan egyesült, hogy nagyobb méretben gyártson incandescens lámpákat.
Incandescens lámpák szerkezete
A szál két vezető drót között van rögzítve. Az egyik vezető drót csatlakozik a lábkapcsolóhoz, a másik pedig a lámpa fém aljához. Mindkét vezető drót átmegy a lámpa alsó közepén lévő üvegszerkezeten. Két támogató drót is csatlakozik az üvegszerkezethez, amelyek a szál középső részét támogatják. A lábkapcsoló izolált a fém aljból izoláló anyagokkal. Az egész rendszer egy színese, foszfátos vagy átlátszó üveglámpával van bevonva. Az üveglámpát inerte gázokkal töltik, vagy vakuumot teremtenek benne, attól függően, hogy milyen erősségű az incandescens lámpa.
Az incandescens lámpák szálát egy üveglámpa segítségével zárt rendszerben tartják, amely megfelelő formájú és méretű. Ez az üveglámpa a szált a környező levegőtől elszigeteli, hogy megakadályozza a szál oxidálódását, és minimalizálja a szál körül mozgó levegőt, így a szál hőmérséklete magas marad.
Az üveglámpát vagy vakuummal töltik, vagy inerte gázokkal, mint például argon, kis mennyiségű nitrogénnel, alacsony nyomás mellett. Az inerte gázok minimalizálják a szál evaporálódását a lámpák használatának ideje alatt. De az inerte gázok konvektív folyása miatt a szál hőt veszíthet a működés során.
A vakuum nagyszerű hőszigetelő, de gyorsítja a szál evaporationát a működés során. A gáztöltött incandescens lámpák esetében 85% argont és 15% nitrogént használnak. Néha kríptont is használnak a szál evaporationának minimalizálása érdekében, mert a krípton gáz molekuláris súlya nagyobb.
De ez drágább. Körülbelül 80%-os légnyomás mellett töltik a gázokat a lámpába. A gázokat töltik a lámpába, ha a lámpa erőssége 40 W-nál nagyobb. De 40 W alatti lámpák esetén nincs gáz használat.
Az incandescens lámpa különböző részeit látjuk lentebb.
Incandescens lámpák szálai
Jelenleg az incandescens lámpák különböző teljesítményűek, mint például 25, 40, 60, 75, 100 és 200 watt. A lámpák különböző formájúak, de alapvetően mind gömbölyűek. Három fő anyagot használnak az incandescens lámpák szálának előállítására: szén, tantál és wolframm. Korábban szént használtak a szál anyagaként, de ma leginkább a wolframt használják.
A szén szál öntözéspontja körülbelül 3500oC, és a működési hőmérséklete körülbelül 1800oC, így az evaporálódás esélye alacsony. Mivel a szén szál, az incandescens lámpák nem sötétednek a szál evaporálódása miatt. A szál lámpák sötétedése akkor következik be, amikor a szál anyagának molekulái a lámpa belső üvegfalának ráfognak az operációs év során történő evaporálódás miatt.
Ez a sötétedés a lámpa hosszú élettartama után válik nyilvánvalóvá. A szén szál lámpák hatékonysága nem túl jó, körülbelül 4.5 lumens per watt. Tantált használtak szálként, de hatékonysága sokkal rosszabb, körülbelül 2 lumens per watt. Ezért a tantál ritkán használt szálanyag.
A legáltalánosabban használt szálanyag ma a wolfram, mert nagy fényhatékonysága van. 2000oC működési hőmérsékletnél 18 lumens per watt-ot ad. Ez a hatékonyság 2500oC működési hőmérsékletnél 30 lumens per watt-ot érhet el. A magas öntözéspont a legfontosabb kritérium a szál anyagához, mert nagyon magas hőmérsékleten kell működnie, anélkül, hogy evaporalódana.
Bár a wolfram öntözéspontja kissé alacsonyabb, mint a széné, mégis a wolframt preferálják szálanyagként. Ez a magas működési hőmérséklet miatt, ami a wolframt sokkal hatékonyabbá teszi. A wolfram szál mechanikai ereje nagy, hogy ellenálljon a rezgéseknek.
Incandescens lámpák élettartama
Bármilyen technológiai gyártási módszerrel is, minden incandescens lámpának van egy közelítő élettartama. Ez a szál evaporálódásának jelensége miatt, ami minimalizálható, de nem kerülhető teljesen el.
A szál evaporálódása miatt az üveglámpa idővel sötétedik. A szál év múlásával vékonyabbá válik, ami a lámpa fényhatékonyságát csökkenti, és végül a szál megsemmisül. Mivel az incandescens lámpák közvetlenül a hálózathoz vannak csatlakoztatva, a hálózati feszültségfluktuációk befolyásolják a lámpa teljesítményét.
Megállapították, hogy az incandescens lámpa fényhatékonysága arányos a hálózati feszültség négyzetével, ugyanakkor a lámpa élettartama fordítottan arányos a hálózati feszültség 13-edik és 14-edik hatványával. Az incandescens lámpák fő előnye, hogy olvassák, és kiválóan alkalmasak a kis területek megvilágítására. De ezek a lámpák nem energiatudatosak, és a bemeneti elektromos energiának 90%-a hővé veszteségel.
