白熱電球の原理と構造

発光現象の原理に基づいて動作する電気光源は白熱電球と呼ばれます。つまり、フィラメントが電流によって発光することで動作するランプを白熱電球と呼びます。

白熱電球の仕組み

物体が熱せられると、その物体の中の原子が熱的に励起されます。物体が溶けない場合、原子の外側軌道電子は供給されたエネルギーにより高エネルギー状態にジャンプします。これらの高エネルギー状態にある電子は安定していないため、再び低エネルギー状態に戻ります。高エネルギー状態から低エネルギー状態に落ちる際に、電子は余分なエネルギーをフォトンとして放出します。これらのフォトンは物体表面から電磁放射として放出されます。

この放射は異なる波長を持ちます。一部の波長は可視範囲内であり、大部分の波長は赤外線範囲内です。赤外線範囲内の電磁波は熱エネルギーであり、可視範囲内の電磁波は光エネルギーです。

白熱とは、物体を加熱することによって可視光を生成することを意味します。白熱電球は同じ原理で動作します。最も単純な人工光源は白熱電球です。ここでは電流を細いフィラメントを通すことで可視光を生成します。電流によりフィラメントの温度が上昇し、輝くようになります。

白熱電球の歴史

トーマス・エジソンが白熱電球の発明者だと一般的に考えられていますが、実際の歴史はそうではありませんでした。エジソンよりも前に多くの科学者が白熱電球のプロトタイプを作り出しました。その一人がイギリスの物理学者ジョセフ・ウィルソン・スワンです。記録によれば、彼が最初に白熱電球の特許を取得しています。その後、エジソンとスワンは商業規模で白熱電球を生産するために合併しました。

白熱電球の構造

フィラメントは2本の導線に取り付けられています。1つの導線はベースの接触部に接続され、もう1つは電球の金属ベースに終端されています。両方の導線は電球の下部中央にあるガラス支持体を通ります。フィラメントの中間部分を支えるために、2つの支持線もガラス支持体に取り付けられています。ベースの接触部は絶縁材料によって金属ベースから隔離されています。全体のシステムは色付きまたは蛍光コーティングまたは透明のガラス電球に封入されています。ガラス電球は不活性ガスで満たされているか、または真空に保たれています。

白熱電球のフィラメントは適切な形状とサイズのガラス電球で空気密閉されています。このガラス電球はフィラメントを周囲の空気から隔離し、フィラメントの酸化を防ぎ、フィラメント周囲の対流を最小限に抑え、フィラメントの温度を高く保つために使用されます。

ガラス電球は真空に保たれているか、アルゴンのような不活性ガスと少量の窒素で低い圧力で満たされています。不活性ガスは、ランプの稼働中にフィラメントの蒸発を最小限に抑えるために使用されます。しかし、電球内部の不活性ガスの対流により、運転中にフィラメントの熱が失われる可能性があります。

また、真空は熱の絶縁材として優れていますが、運転中にフィラメントの蒸発を加速します。ガス充填型の白熱電球では、アルゴン85％と窒素15％を使用しています。時には、クリプトンを使用してフィラメントの蒸発を減らすこともあります。これは、クリプトンガスの分子量が高いからです。

しかし、コストがかかります。大気圧の約80％でガスを電球に充填します。ガスは40W以上の電球に充填されますが、40W未満の電球にはガスは使用されません。

以下の図に示すように、白熱電球の様々な部品があります。

白熱電球のフィラメント

現在、白熱電球は25、40、60、75、100、200ワットなどのさまざまな定格があります。電球の形状は様々ですが、基本的には丸形です。白熱電球のフィラメントには主にカーボン、タングステン、タンタルムの3つの材料が使用されています。カーボンは以前にフィラメント材料として使用されていましたが、現在ではタングステンが最も一般的に使用されています。

カーボンフィラメントの融点は約3500oCであり、動作温度は約1800oCなので、蒸発の可能性はかなり少ないです。そのため、カーボンフィラメントの白熱電球は、フィラメントの蒸発による黒化がありません。フィラメントランプの黒化は、運転中にフィラメントが蒸発し、ガラス電球の内壁にフィラメント材料の分子が堆積することで起こります。

この黒化はランプの寿命が長くなるにつれて顕著になります。カーボンフィラメントランプの効率は良くなく、約4.5ルーメン/ワットです。タングステンはフィラメントとして使用されました。しかし、その効率は非常に悪く、約2ルーメン/ワットです。これがタングステンがフィラメント要素として非常にまれに使用される理由です。

現在広く使用されているフィラメント材料はタングステンで、その高い発光効率のためです。タングステンは2000oCで動作すると18ルーメン/ワットを発生します。これは2500oCで動作すると最大30ルーメン/ワットまで上がります。フィラメント材料にとって重要な基準は、非常に高温で蒸発せずに動作できる高い融点です。

タングステンはカーボンよりも少し融点が低いですが、それでもタングステンはフィラメント材料としてより好ましいです。これは高い動作温度によりタングステンがより発光効率が高いからです。タングステンフィラメントの機械的強度は非常に高く、機械的な振動に耐えられます。

白熱電球の寿命

どのような製造技術であっても、各タイプの白熱電球には概ね寿命があります。これは完全に避けられないフィラメントの蒸発現象によるものです。

フィラメントの蒸発により、ガラス電球は徐々に黒くなります。フィラメントの蒸発により、フィラメントは薄くなり、結果としてフィラメントの発光効率が低下し、最終的にフィラメントが切れてしまいます。フィラメントランプは直接電源ラインに接続されているため、ラインの電圧変動がランプの性能に影響を与えます。

白熱電球の発光効率は供給電圧の2乗に比例しますが、一方でランプの寿命は供給電圧の13th～14th乗に反比例します。白熱電球の主な利点は、これらが安価で小範囲の照明に適していることです。しかし、これらのランプはエネルギー効率が低く、入力電気エネルギーの約90％が熱として失われます。

市場での白熱電球の入手可能性

市場には様々な魅力的な形状とサイズの電球が存在します。PS30ランプは梨型で、T12ランプは直径1.5インチの管状、R40ランプは反射器付きのエンベロープで直径5インチです。市場で一般的な電球の定格は25、40、60、75、100、150、200Wなどです。白熱電球に関する重要なデータについては以下の表を参照してください。

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