Principe van gloeilamp en constructie van gloeilamp

De elektrische lichtbron die werkt op het principe van de gloeifunctie wordt gloeilamp genoemd. Met andere woorden, de lamp die werkt door het gloeien van het filament veroorzaakt door elektrische stroom door het filament, wordt gloeilamp genoemd.

Hoe werken gloeilampen?

Wanneer een object heet gemaakt wordt, worden de atomen in het object thermisch geëxciteerd. Als het object niet smelt, springen de buitenste orbitale elektronen van de atomen naar hogere energieniveaus door de toegevoerde energie. De elektronen op deze hogere energieniveaus zijn niet stabiel, ze vallen weer terug naar lagere energieniveaus. Tijdens het vallen van hogere naar lagere energieniveaus, geven de elektronen hun extra energie af in de vorm van fotonen. Deze fotonen worden vervolgens vanaf het oppervlak van het object uitgezonden in de vorm van elektromagnetische straling.

Deze straling heeft verschillende golflengten. Een deel van de golflengten bevindt zich in het zichtbare spectrum, en een significant deel van de golflengten bevindt zich in het infrarood-spectrum. De elektromagnetische golf met golflengten binnen het infrarood-spectrum is warmte-energie, en de elektromagnetische golf met golflengten binnen het zichtbare spectrum is licht-energie.

Gloeien betekent zichtbaar licht produceren door een object te verhitten. Een gloeilamp werkt op hetzelfde principe. De eenvoudigste vorm van kunstmatige lichtbron die gebruik maakt van elektriciteit is een gloeilamp. Hier gebruiken we elektrische stroom om door een dun en fijn filament te stromen om zichtbaar licht te produceren. De stroom verhoogt de temperatuur van het filament tot zo'n mate dat het lichtgevend wordt.

Geschiedenis van de gloeilamp

Het wordt meestal aangenomen dat Thomas Edison de uitvinder was van de gloeilamp, maar de echte geschiedenis was niet zo. Er waren talloze wetenschappers die voor Edison werkten en prototypen ontwierpen voor de gloeilamp. Een van hen was de Britse natuurkundige Joseph Wilson Swan. Volgens de archieven kreeg hij het eerste patent voor de gloeilamp. Later fuseerden Edison en Swan om gloeilampen op commerciële schaal te produceren.

Bouw van de gloeilamp

Het filament is bevestigd aan twee leidraden. Een leidraad is verbonden met de voetcontact en de andere eindigt op de metalen basis van de lamp. Beide leidraden passeren door een glazen steun die midden onder in de lamp is gemonteerd. Twee steunraden die ook aan de glazen steun zijn bevestigd, worden gebruikt om het filament in het midden vast te houden. Het voetcontact is geïsoleerd van de metalen basis door isolerende materialen. Het hele systeem is ingekapseld door een gekleurd of fosfaat-coated of transparant glazen bol. De glazen bol kan gevuld zijn met inerte gassen of er kan een vacuüm in gehouden worden, afhankelijk van de specificatie van de gloeilamp.

Het filament van gloeilampen is luchtdicht afgesloten met een glazen bol van een geschikte vorm en grootte. Deze glazen bol wordt gebruikt om het filament te isoleren van de omringende lucht om oxidatie van het filament te voorkomen en om de convectiestroom rondom het filament te minimaliseren, waardoor de temperatuur van het filament hoog blijft.

De glazen bol wordt ofwel leeggemaakt of gevuld met inerte gassen zoals argon met een klein percentage stikstof onder lage druk. Inerte gassen worden gebruikt om de verdamping van het filament tijdens de dienst van de lampen te minimaliseren. Maar door de convectiestroom van inerte gas binnen de bol, is er een grotere kans op het verliezen van de warmte van het filament tijdens de bedrijfsfase.

Opnieuw is een vacuüm een grote isolator van warmte, maar het versnelt de verdamping van het filament tijdens de bedrijfsfase. In het geval van gasgevulde gloeilampen, wordt 85% argon vermengd met 15% stikstof gebruikt. Af en toe kan krypton worden gebruikt om de filamentverdamping te verminderen, omdat het moleculaire gewicht van krypton gas vrij hoog is.

Maar het kost meer. Bij ongeveer 80% van de atmosferische druk worden de gassen in de bol gepompt. Gas wordt in de bol gepompt met een rating van meer dan 40 W. Maar voor minder dan 40 W-bollen; wordt er geen gas gebruikt.

De verschillende delen van een gloeilamp zijn hieronder getoond.

Filament van de gloeilamp

Tegenwoordig zijn gloeilampen verkrijgbaar in verschillende wattages zoals 25, 40, 60, 75, 100 en 200 watt, enz. Er zijn verschillende vormen van bollen, maar in essentie zijn ze allemaal rond. Er worden voornamelijk drie materialen gebruikt voor het produceren van het filament van gloeilampen, namelijk koolstof, tantalum en wolfraam. Koolstof werd eerder gebruikt als filamentmateriaal, maar tegenwoordig wordt wolfraam het meest gebruikt voor dit doel.

Het smeltpunt van een koolstof-filament is ongeveer 3500°C, en de werktemperatuur van dit filament is ongeveer 1800°C, waardoor de kans op verdamping vrij klein is. Daardoor zijn gloeilampen met koolstof-filament vrij van verduistering door filamentverdamping. Verduistering van een filamentlamp treedt op wanneer moleculen van het filamentmateriaal op de binnenwand van de glazen bol worden afgezet door verdamping van het filament tijdens de bedrijfsfase.

Deze verduistering wordt prominent na de lange levensduur van de lamp. De efficiëntie van een koolstof-filamentlamp is niet goed, het is ongeveer 4,5 lumen per watt. Tantalum werd als filament gebruikt, maar de efficiëntie ervan is veel slechter, ongeveer 2 lumen per watt. Dit komt omdat tantalum zelden als filamentelement wordt gebruikt.

Het meest gebruikte filamentmateriaal tegenwoordig is wolfraam vanwege de hoge lichtopbrengst. Het kan 18 lumen per watt opleveren bij een werktemperatuur van 2000°C. Deze efficiëntie kan oplopen tot 30 lumen per watt bij een werktemperatuur van 2500°C. Het hoge smeltpunt is een belangrijk criterium voor filamentmateriaal, omdat het op zeer hoge temperaturen moet werken zonder te verdampen.

Hoewel wolfraam een iets lager smeltpunt heeft dan koolstof, wordt wolfraam toch meer gebruikt als filamentmateriaal. Dit komt door de hoge werktemperaturen, waardoor wolfraam veel lichtefficiënter is. De mechanische sterkte van een wolfraam-filament is voldoende om mechanische trillingen te weerstaan.

Levensduur van gloeilampen

Ongeacht de technologie van de productie, heeft elk type gloeilamp een benaderde levensduur. Dit komt door het fenomeen van filamentverdamping, dat kan worden geminimaliseerd, maar niet volledig vermeden.

Door filamentverdamping donkert de glazen bol over een periode. Door filamentverdamping wordt het filament dunner, wat het filament minder lichtefficiënt maakt, en uiteindelijk breekt het filament. Omdat de filamentlampen direct aan de netspanning zijn verbonden, beïnvloeden de spanningsschommelingen in het net de prestaties van de lamp.

Het is bekend dat de lichtopbrengst van een gloeilamp recht evenredig is met het kwadraat van de netspanning, maar tegelijkertijd is de levensduur van de lamp omgekeerd evenredig met de 13e tot 14e macht van de netspanning. De belangrijkste voordelen van gloeilampen zijn dat ze goedkoop genoeg zijn en zeer geschikt zijn voor verlichting op kleine oppervlakken. Maar deze lampen zijn niet energie-efficiënt en ongeveer 90% van de ingevoerde elektrische energie gaat verloren als warmte.

Beschikbaarheid van gloeilampen op de markt

Er zijn verschillende aantrekkelijke vormen en maten van bollen beschikbaar op de markt. PS30-lampen hebben een peer-vorm, T12-bollen zijn buisvormig met een diameter van 1,5 inch, R40-bollen hebben een reflector-bollenhuls met een diameter van 5 inch. Op basis van de beschikbaarheid van wattages zijn de bollen gemeengoed op de markt met 25, 40, 60, 75, 100, 150 en 200 W, enz. We kunnen de tabel hieronder volgen om belang