백열등의 원리와 구조

발광 현상을 이용하는 전기적 광원을 백열등이라고 합니다. 즉, 전류가 흐르면서 필라멘트가 빛나는 원리로 작동하는 램프를 백열등이라고 합니다.

백열등은 어떻게 작동하나요?

물체가 가열되면 그 물체 내부의 원자들이 열적으로 자극됩니다. 만약 물체가 녹지 않으면, 공급된 에너지로 인해 원자의 외부 궤도 전자가 더 높은 에너지 수준으로 이동합니다. 이러한 높은 에너지 수준의 전자는 안정적이지 않아 다시 낮은 에너지 수준으로 떨어집니다. 이 과정에서 전자는 포톤 형태로 잉여 에너지를 방출하며, 이러한 포톤은 물체 표면에서 전자기 복사 형태로 방출됩니다.

이러한 복사는 다양한 파장을 가지며, 일부는 가시광선 범위에, 대부분은 적외선 범위에 속합니다. 적외선 범위의 전자기파는 열에너지이고, 가시광선 범위의 전자기파는 빛에너지입니다.

발광은 물체를 가열하여 가시광선을 생성하는 것을 의미합니다. 백열등은 같은 원리로 작동합니다. 전기를 사용한 가장 간단한 인공적인 광원이 백열등입니다. 여기서 우리는 전류를 얇고 미세한 필라멘트를 통해 흘려 가시광선을 생성합니다. 전류는 필라멘트의 온도를 높여 이를 발광하게 만듭니다.

백열등의 역사

토마스 에디슨이 백열등을 발명했다고 일반적으로 알려져 있지만, 실제 역사상 여러 과학자들이 에디슨보다 앞서 백열등의 프로토타입을 설계하고 연구했습니다. 그 중 한 명인 영국의 물리학자 조셉 윌슨 스완은 기록에 따르면 백열등에 대한 첫 번째 특허를 받았습니다. 나중에 에디슨과 스완은 상업적으로 백열등을 생산하기 위해 협력했습니다.

백열등의 구조

필라멘트는 두 개의 리드 와이어 사이에 연결되어 있습니다. 하나의 리드 와이어는 풋 콘택트에, 다른 하나는 전구의 금속 베이스에 연결됩니다. 두 리드 와이어는 전구 하단 중앙에 위치한 유리 지지대를 통해 통과합니다. 또한 유리 지지대에 부착된 두 개의 지지 와이어는 필라멘트의 중간 부분을 지지합니다. 풋 콘택트는 절연 재료로 금속 베이스와 분리되어 있습니다. 전체 시스템은 컬러 또는 형광물질 코팅 또는 투명 유리 전구로 둘러싸여 있으며, 전구는 등급에 따라 불활성 가스로 채워지거나 진공 상태로 유지됩니다.

백열등의 필라멘트는 적절한 모양과 크기의 유리 전구로 진공 상태로 밀봉됩니다. 이 유리 전구는 필라멘트 주변의 공기로부터 필라멘트를 격리하여 필라멘트의 산화를 방지하고, 필라멘트 주변의 대류를 최소화하여 필라멘트의 온도를 높게 유지합니다.

유리 전구는 진공 상태로 유지되거나 아르곤과 소량의 질소가 저압으로 충전될 수 있습니다. 불활성 가스는 전구 사용 중 필라멘트의 증발을 최소화하는데 사용되지만, 전구 내부의 불활성 가스의 대류로 인해 필라멘트의 열 손실 가능성이 큽니다.

진공은 열의 좋은 절연재이지만, 전구 작동 중 필라멘트의 증발을 가속화합니다. 가스 충전 백열등의 경우, 아르곤 85%와 질소 15%가 혼합되어 사용됩니다. 때때로 크립톤을 사용하여 필라멘트의 증발을 줄일 수도 있습니다. 크립톤 가스의 분자량이 상당히 높기 때문입니다.

그러나 이는 비용이 더 많이 듭니다. 약 80%의 대기압으로 가스가 전구에 충전됩니다. 40W 이상의 전구에는 가스가 충전되지만, 40W 미만의 전구에는 가스가 사용되지 않습니다.

백열등의 다양한 부품은 아래에 표시되어 있습니다.

백열등의 필라멘트

현재 백열등은 25, 40, 60, 75, 100, 200 와트 등 다양한 와트 수로 제공됩니다. 전구의 모양은 다양하지만 기본적으로 둥근 형태입니다. 백열등의 필라멘트를 제작하는 주요 재료는 탄소, 탄탈럼, 텅스텐이며, 현재는 주로 텅스텐이 사용됩니다.

탄소 필라멘트의融点约为3500°C，工作温度约为1800°C，因此蒸发的可能性很小。由于碳丝的蒸发较少，碳丝白炽灯不会因为灯丝蒸发而变暗。灯泡内部玻璃壁上沉积的灯丝材料分子会导致灯泡变暗。 这种变暗在灯泡寿命较长时会变得更加明显。碳丝灯的效率不高，大约为每瓦4.5流明。钽也曾被用作灯丝材料，但其效率更低，仅为每瓦2流明。因此，钽很少被用作灯丝材料。 目前最广泛使用的灯丝材料是钨，因为它具有较高的发光效率。当它在2000°C下工作时，可以达到每瓦18流明的效率。如果在2500°C下工作，效率可高达每瓦30流明。高熔点是灯丝材料的主要标准，因为它必须在非常高的温度下工作而不被蒸发。 尽管钨的熔点略低于碳，但由于其较高的工作温度使其发光效率更高，因此更受欢迎。钨丝的机械强度很高，能够承受机械振动。 无论采用何种制造技术，每种类型的白炽灯都有一定的使用寿命。这是因为灯丝蒸发现象虽然可以最小化，但无法完全避免。 由于灯丝蒸发，玻璃灯泡会在一段时间内变暗。随着灯丝逐渐变细，灯丝的发光效率降低，最终断裂。由于灯泡直接连接到电源线上，电源线上的电压波动会影响灯泡的性能。 研究发现，白炽灯的发光效率与供电电压的平方成正比，但同时灯泡的寿命与供电电压的13次方到14次方成反比。白炽灯的主要优点是价格便宜，适合小范围照明。但这些灯泡能效不高，大约90%的输入电能以热的形式损失掉。 市场上有各种吸引人的形状和大小的灯泡。PS30灯泡呈梨形，T12灯泡直径为1.5英寸的管状，R40灯泡带有反射器灯罩，直径为5英寸。根据可用的瓦数，市场上常见的灯泡有25、40、60、75、100、150和200瓦等。我们可以参考以下表格获取有关白炽灯的重要数据。

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