Prinsip Lampu Sinaran dan Pembinaan Lampu Sinaran

Sumber cahaya elektrik yang berfungsi berdasarkan fenomena pemanasan disebut Lampu Pemanas. Dengan kata lain, lampu yang bekerja kerana kilatan filamen akibat arus elektrik melaluinya, dipanggil lampu pemanas.

Bagaimana Lampu Pemanas Berfungsi?

Apabila objek dibuat panas, atom di dalam objek menjadi terangsang secara termal. Jika objek tidak melebur, elektron orbit luar atom melompat ke tahap tenaga yang lebih tinggi kerana tenaga yang disediakan. Elektron pada tahap tenaga yang lebih tinggi ini tidak stabil, mereka kembali jatuh ke tahap tenaga yang lebih rendah. Semasa jatuh dari tahap tenaga yang lebih tinggi ke tahap tenaga yang lebih rendah, elektron mengeluarkan tenaga tambahan dalam bentuk foton. Foton-foton ini kemudian dikeluarkan dari permukaan objek dalam bentuk radiasi elektromagnetik.

Radiasi ini akan mempunyai panjang gelombang yang berbeza. Sebahagian panjang gelombang ada dalam julat panjang gelombang yang boleh dilihat, dan sebahagian besar panjang gelombang ada dalam julat inframerah. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang dalam julat inframerah adalah tenaga haba dan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang dalam julat yang boleh dilihat adalah tenaga cahaya.

Pemanasan bermaksud menghasilkan cahaya yang boleh dilihat dengan memanaskan objek. Lampu pemanas berfungsi berdasarkan prinsip yang sama. Sumber cahaya buatan yang paling mudah menggunakan elektrik adalah lampu pemanas. Di sini kita menggunakan arus elektrik untuk mengalir melalui filamen yang nipis dan halus untuk menghasilkan cahaya yang boleh dilihat. Arus meningkatkan suhu filamen sehingga ia menjadi bercahaya.

Sejarah Lampu Pemanas

Biasanya dianggap bahawa Thomas Edison adalah penemu lampu pemanas, tetapi sejarah sebenarnya tidak seperti itu. Terdapat banyak saintis yang bekerja dan merancang prototaip untuk lampu pemanas sebelum Edison. Salah satunya adalah ahli fizik British Joseph Wilson Swan. Dari rekod, didapati bahawa dia mendapat paten pertama untuk lampu pemanas. Kemudian, Edison dan Swan bergabung untuk menghasilkan lampu pemanas dalam skala komersial.

Pembinaan Lampu Pemanas

Filamen dilampirkan di antara dua wayar pemimpin. Satu wayar pemimpin dihubungkan ke kontak kaki dan yang lain diakhiri pada asas logam bola. Kedua-dua wayar pemimpin melalui sokongan kaca yang dipasang di tengah bawah bola. Dua wayar sokongan juga dilampirkan ke sokongan kaca, digunakan untuk menyokong filamen di bahagian tengahnya. Kontak kaki dipisahkan dari asas logam oleh bahan pengasing. Seluruh sistem dienkapsulasi oleh bola kaca berwarna atau dilapisi fosfor atau kaca transparan. Bola kaca mungkin diisi dengan gas inert atau dikekalkan vakum bergantung kepada penilaian lampu pemanas.

Filamen lampu pemanas dikosongkan secara rapat dengan bola kaca berbentuk dan saiz yang sesuai. Bola kaca ini digunakan untuk mengasingkan filamen daripada udara sekitar untuk mencegah oksidasi filamen dan untuk mengurangkan arus konveksi sekitar filamen supaya suhu filamen tinggi.

Bola kaca entah dikekalkan vakum atau diisi dengan gas inert seperti argon dengan sedikit persen nitrogen pada tekanan rendah. Gas inert digunakan untuk mengurangkan penguapan filamen semasa perkhidmatan lampu. Tetapi kerana aliran konveksi gas inert di dalam bola, terdapat peluang yang lebih besar untuk kehilangan haba filamen semasa operasi.

Vakum adalah insulator haba yang hebat, tetapi ia mempercepatkan penguapan filamen semasa operasi. Dalam kes lampu pemanas yang diisi gas, 85% argon dicampur dengan 15% nitrogen digunakan. Kadang-kadang kripton boleh digunakan untuk mengurangkan penguapan filamen kerana berat molekul gas kripton agak tinggi.

Tetapi ia kos lebih tinggi. Pada sekitar 80% tekanan atmosfer, gas-gas tersebut diisi ke dalam bola. Gas diisi ke dalam bola dengan penilaian lebih daripada 40 W. Tetapi untuk bola kurang daripada 40 W, tiada gas yang digunakan.

Bahagian-bahagian lampu pemanas ditunjukkan di bawah.

Filamen Lampu Pemanas

Pada hari ini, lampu pemanas tersedia dalam pelbagai penilaian watt seperti 25, 40, 60, 75, 100, dan 200 watt dll. Terdapat pelbagai bentuk bola, tetapi pada dasarnya semua berbentuk bulat. Terdapat tiga bahan utama yang digunakan untuk menghasilkan filamen lampu pemanas, dan bahan-bahan tersebut adalah karbon, tantalum, dan tungsten. Karbon dahulunya digunakan sebagai bahan filamen, tetapi kini tungsten paling sering digunakan untuk tujuan tersebut.

Titik lebur filamen karbon adalah sekitar 3500oC, dan suhu operasi filamen ini adalah sekitar 1800oC, jadi peluang penguapan agak kurang. Kerana filamen karbon, lampu pemanas bebas daripada penggelapan akibat penguapan filamen. Penggelapan lampu filamen berlaku apabila molekul bahan filamen tertumpahkan pada dinding dalam bola kaca akibat penguapan filamen semasa operasi.

Penggelapan ini menjadi ketara selepas hayat lampu yang panjang. Efisiensi lampu filamen karbon tidak baik, ianya sekitar 4.5 lumen per wat. Tantalum digunakan sebagai filamen, tetapi efisiensinya sangat buruk, ianya sekitar 2 lumen per wat. Ini kerana tantalum jarang digunakan sebagai elemen filamen.

Bahan filamen yang paling luas digunakan sekarang adalah tungsten kerana efisiensi luminousnya yang tinggi. Ia boleh memberikan 18 lumen per wat apabila beroperasi pada 2000oC. Efisiensi ini boleh mencapai 30 lumen per wat apabila beroperasi pada 2500oC. Titik lebur yang tinggi adalah kriteria utama untuk bahan filamen kerana ia perlu beroperasi pada suhu yang sangat tinggi tanpa penguapan.

Walaupun titik lebur tungsten agak lebih rendah daripada karbon, tetapi tungsten masih lebih disukai sebagai bahan filamen. Ini kerana suhu operasi yang tinggi membuat tungsten lebih efisien dari segi luminous. Kekuatan mekanikal filamen tungsten cukup tinggi untuk menahan getaran mekanikal.

Tempoh Hidup Lampu Pemanas

Berapapun teknologi pembuatan, setiap jenis lampu pemanas mempunyai tempoh hidup yang hampir. Ini kerana fenomena penguapan filamen yang boleh diminimumkan tetapi tidak dapat dielakkan sepenuhnya.

Akibat penguapan filamen, bola kaca menjadi gelap seiring masa. Akibat penguapan filamen, filamen menjadi lebih nipis yang membuat filamen kurang efisien dari segi luminous dan akhirnya, filamen pecah. Kerana lampu filamen terhubung langsung ke baris bekalan kuasa, fluktuasi voltan dalam baris, mempengaruhi prestasi bola.

Didapati bahawa efisiensi luminous lampu pemanas berkadar langsung dengan kuasa dua voltan bekalan tetapi pada masa yang sama, tempoh hidup lampu berkadar songsang dengan 13th hingga 14th kuasa voltan bekalan. Kelebihan utama lampu pemanas adalah harga yang murah dan sangat sesuai untuk pencahayaan di kawasan kecil. Tetapi lampu-lampu ini tidak efisien dari segi tenaga dan sekitar 90% tenaga elektrik input hilang sebagai haba.

Ketersediaan Lampu Pemanas di Pasaran

Terdapat pelbagai bentuk dan saiz bola yang menarik tersedia di pasaran. Lampu PS30 mempunyai bentuk pir, lampu T12 berbentuk tabung dengan diameter 1.5 inci, lampu R40 mempunyai envelope reflektor dengan diameter 5 inci. Berdasarkan ketersediaan wattase, bola-bola biasa di pasaran dengan 25, 40, 60, 75, 100, 150, dan 200W dll. Kita boleh mengikuti jadual di bawah untuk mendapatkan data penting tentang lampu pemanas.