Glødelampeprinsipp og konstruksjon av glødelampe

Elektrisk lyskilde som fungerer basert på glødning fenomenet kalles glødelys. Med andre ord, lyset som fungerer ved at filamen gløder på grunn av elektrisk strøm gjennom den, kalles glødelys.

Hvordan fungerer glødelys?

Når et objekt blir varmt, blir atomene i objektet termisk opphisset. Hvis objektet ikke smelter, hopper de ytre elektronene i atomene til høyere energinivåer på grunn av den innskytte energien. Elektronene på disse høyere energinivåene er ikke stabile, de faller igjen til lavere energinivåer. Under nedstigningen fra høyere til lavere energinivåer frigir elektronene sin ekstra energi i form av fotoner. Disse fotonene sendes deretter ut fra overflaten av objektet i form av elektromagnetisk stråling.

Denne strålingen vil ha ulike bølgelengder. En del av bølgelengdene ligger i synlige frekvensområder, og en betydelig del av bølgelengdene ligger i infrarødt område. Elektromagnetiske bølger med bølgelengder innenfor infrarødt område er varmeenergi, mens elektromagnetiske bølger med bølgelengder innenfor synlig område er lysenergi.

Glødende betyr å produsere synligt lys ved å varme et objekt. Et glødelys fungerer basert på samme prinsipp. Den enkleste form for kunstig lyskilde som bruker elektrisitet, er et glødelys. Her bruker vi elektrisk strøm til å flyte gjennom en tynn filamene for å produsere synligt lys. Strømmen øker temperaturen på filamen til et punkt hvor den blir lysende.

Historie om glødelys

Det er vanlig å anta at Thomas Edison var oppfinneren av glødelyset, men den faktiske historien var ikke slik. Det var flere forskere som arbeidet og designet prototyper for glødelys før Edison gjorde det. En av dem var den britiske fysikeren Joseph Wilson Swan. Ifølge dokumentene fikk han den første patentet for glødelys. Senere sluttet Edison og Swan seg sammen for å produsere glødelys i kommersiell skala.

Konstruksjon av glødelys

Filamen er festet mellom to ledninger. En ledning er koblet til kontaktet nederst, mens den andre termineres på den metalliske bunnplaten til pæreren. Begge ledningene går gjennom glassstøtten montert i midten av pæreren. To støtteledninger, også festet til glassstøtten, brukes for å støtte filamen i midten. Kontakten nederst er isolert fra metallbunnen ved hjelp av isolerende materialer. Hele systemet er omsluttet av en farget, fosforbelagt eller transparent glasstopp. Glaspæreren kan være fylt med inerte gasser eller holdes vakuum avhengig av effektklassen til glødelyset.

Filamen i glødelys er lufttett evakuert med en glasstopp av passende form og størrelse. Denne glasstoppen brukes for å isolere filamen fra omgivende luft for å unngå oksidasjon av filamen og for å minimere konveksjonsstrømmer rundt filamen, slik at temperaturen på filamen forblir høy.

Glasstoppen holdes enten vakuum eller fylt med inerte gasser som argon med en liten prosent andel nitrogen under lavt trykk. Inerte gasser brukes for å minimere fordampningen av filamen under drift. Men på grunn av konveksjonsstrømmer av inert gas inne i pæreren, er det større sjanse for at filamen mister varme under operasjon.

Igen er vakuum en god varmeforhindring, men det øker fordampningen av filamen under drift. I tilfelle av gassfylte glødelys, brukes 85% argon blandet med 15% nitrogen. Av og til kan krypton brukes for å redusere filamenfordampning, da molekylevekten av krypton-gassen er mye høyere.

Men det koster mer. Ved omtrent 80% av atmosfæretrykket, fylles gassene inn i pæreren. Gass fylles i pæreren med effektklasse over 40 W. Men for mindre enn 40 W pære; brukes det ingen gass.

De ulike delene av et glødelys er vist nedenfor.

Filamen i glødelys

I dag finnes glødelys i ulike effektklasser som 25, 40, 60, 75, 100 og 200 watt osv. Det er ulike former for pærer, men de fleste er rundede. Det er hovedsakelig tre materialer som brukes for å produsere filamen i glødelys, og dette er karbon, tantal og wolfram. Karbon ble tidligere brukt som filamenmateriale, men nå bruker man mest wolfram.

Smeltepunktet for karbonfilamen er omtrent 3500°C, og driftstemperaturen for denne filamen er omtrent 1800°C, så sjansene for fordampning er ganske små. På grunn av dette er glødelys med karbonfilamen fri for mørklagring på grunn av filamenfordampning. Mørklagring av filamen oppstår når molekyler av filamenmateriale deponeres på indre veggen av glasstoppen på grunn av filamenfordampning under drift.

Dette mørklagret blir fremtredende etter lang levetid for pæren. Effekten av karbonfilamen er ikke god, den er omtrent 4,5 lumen per watt. Tantal ble brukt som filamen, men dens effekt er mye dårligere, den er omtrent 2 lumen per watt. Dette er fordi tantal brukes svært sjeldent som filamenmateriale.

Mest anvendt filamenmateriale i dag er wolfram på grunn av sin høye lysstyrke. Den gir 18 lumen per watt når den driftes ved 2000°C. Denne effekten kan være opptil 30 lumen per watt når den driftes ved 2500°C. Høyt smeltepunkt er en viktig kriterie for filamenmateriale, da det må fungere ved meget høy temperatur uten å fordampes.

Selv om wolfram har litt dårligere smeltepunkt enn karbon, er wolfram fortsatt foretrukket som filamenmateriale. Dette er på grunn av høy driftstemperatur som gjør wolfram mye mer lysstyrk. Mekanisk styrke hos wolframfilamen er ganske høy for å motstå mekaniske vibrasjoner.

Livslengde av glødelys

Uansett teknologi for produksjon, har hver type glødelys en tilnærmet livslengde. Dette skyldes filamenfordampningsfenomenet, som kan minimeres, men ikke helt unngås.

På grunn av filamenfordampning mørknar glasstoppen over tid. På grunn av filamenfordampning blir filamen tyndere, noe som gjør filamen mindre lysstyrk, og til slutt knuses filamen. Siden glødelys er direkte koblet til strømforsyningen, påvirkes ytelsen av pæren av spenningssvingninger i strømlinjen.

Det er funnet at lysstyrken til et glødelys er proporsjonal med kvadratet av strømforsyningens spenning, men samtidig er livslengden til pæren invers proporsjonal med 13te til 14te potens av strømforsyningens spenning. De viktigste fordeler med glødelys er at de er rimelige nok og veldig egnet for belysning av små områder. Men disse pærer er ikke energieffektive, og omtrent 90% av den innskytt elektriske energien går tapt som varme.

Tilgjengelighet av glødelys på markedet

Det er ulike attraktive former og størrelser av pærer tilgjengelige på markedet. PS30-pærer har epleform, T12-pære er tubulær med diameter 1,5 tomme, R40-pære har reflekterende pærerymd med diameter 5 tommer. Basert på effektklasse er pærer vanlige på markedet med 25, 40, 60, 75, 100, 150 og 200W osv. Vi kan følge tabellen nedenfor for å få viktig informasjon om