Zasada działania żarówki i konstrukcja żarówki

Źródło światła elektryczne działające na zasadzie zjawiska żarzenia nazywane jest Żarówką. Innymi słowy, lampa działająca dzięki rozżarzeniu cienkiego włókna przez prąd elektryczny przepływający przez nie, nazywana jest żarówką.

Jak działają żarówki?

Gdy obiekt zostaje nagrzanym, atomy wewnątrz obiektu stają się termicznie pobudzone. Jeśli obiekt nie topi się, zewnętrzne elektrony orbitujące wokół atomów przechodzą do wyższych poziomów energetycznych dzięki dostarczonej energii. Elektrony na tych wyższych poziomach energetycznych są niestabilne, więc ponownie spadają do niższych poziomów. Podczas spadania z wyższych na niższe poziomy, elektrony uwalniają swoją nadmierną energię w postaci fotonów. Te fotony są następnie emitowane z powierzchni obiektu w formie promieniowania elektromagnetycznego.

To promieniowanie będzie miało różne długości fal. Część tych długości fal znajduje się w zakresie widzialnym, a znaczną część stanowią długości fal w zakresie podczerwonym. Fala elektromagnetyczna o długościach fal w zakresie podczerwonym to energia ciepła, a fala elektromagnetyczna o długościach fal w zakresie widzialnym to energia świetlna.

Żarzenie oznacza tworzenie światła widzialnego poprzez nagrzanie obiektu. Żarówka działa na tej samej zasadzie. Najprostszą formą sztucznego źródła światła wykorzystującego prąd elektryczny jest żarówka. Tutaj używamy prądu elektrycznego przepływającego przez cienki i drobny włókno, aby wytworzyć światło widzialne. Prąd podnosi temperaturę włókna do takiego stopnia, że staje się ono lśniące.

Historia żarówki

Zwykle uważa się, że Thomas Edison był wynalazcą żarówki, ale prawdziwa historia wygląda inaczej. Było wielu naukowców, którzy pracowali i projektowali prototypy żarówek przed Edisone. Jednym z nich był brytyjski fizyk Joseph Wilson Swan. Zgodnie z dokumentami, on otrzymał pierwszy patent na żarówkę. Później Edison i Swan połączyli siły, aby produkować żarówki w skali komercyjnej.

Konstrukcja żarówki

Włókno jest zamontowane między dwoma przewodami. Jeden przewód jest połączony z kontaktem stopki, a drugi kończy się na metalowej podstawie żarówki. Oba przewody przechodzą przez szklany trójnóg zamontowany w dolnej części żarówki. Dwa wsporniki również zamocowane do szklanego trójnoga, służą do wsparcia włókna w jego środkowej części. Kontakt stopki jest izolowany od metalowej podstawy materiałami izolującymi. Cały system jest zakryty kolorową, fosforytową lub przezroczystą szklaną kolbą. Szklana kolba może być wypełniona gazami szlachetnymi lub utrzymana w próżni, w zależności od mocy żarówki.

Włókno żarówki jest szczelnie zapieczętowane w szklanej kolbie odpowiedniej kształtu i rozmiaru. Ta szklana kolba służy do izolacji włókna od otaczającego powietrza, aby zapobiec jego utlenianiu i zminimalizować przepływ konwekcyjny wokół włókna, co pozwala utrzymać wysoką temperaturę włókna.

Szklana kolba jest albo utrzymana w próżni, albo wypełniona gazami szlachetnymi, takimi jak argon, z małym procentem azotu pod niskim ciśnieniem. Gazy szlachetne są używane, aby zminimalizować parowanie włókna podczas użytkowania żarówek. Jednak ze względu na przepływ konwekcyjny gazu wewnątrz kolby, istnieje większe ryzyko utraty ciepła przez włókno podczas pracy.

Ponownie, próżnia jest doskonałym izolatorem ciepła, ale przyspiesza parowanie włókna podczas pracy. W przypadku żarówek wypełnionych gazem, używa się 85% argonu mieszając go z 15% azotu. Okazjonalnie można użyć kryptonu, aby zredukować parowanie włókna, ponieważ masa cząsteczkowa gazu kryptonu jest znacznie większa.

Jednak kosztuje to więcej. Gaz jest wypełniany do kolby pod około 80% atmosferycznego ciśnienia. Gaz jest wypełniany do kolb o mocy powyżej 40 W. Ale dla żarówek poniżej 40 W, nie używa się gazu.

Różne części żarówki są pokazane poniżej.

Włókno żarówki

Obecnie, żarówki są dostępne w różnych mocach, takich jak 25, 40, 60, 75, 100 i 200 watów itd. Są różne kształty żarówek, ale zasadniczo wszystkie są okrągłe. Głównie trzy materiały są używane do produkcji włókna żarówek, a są to: węgiel, tantal i wolfram. Węgiel był wcześniej używany jako materiał do włókna, ale obecnie najczęściej używa się wolframu.

Punkt topnienia włókna węglowego wynosi około 3500oC, a temperatura pracy tego włókna wynosi około 1800oC, dlatego ryzyko parowania jest stosunkowo niewielkie. Dzięki temu, żarówki z włóknem węglowym są wolne od ciemnienia spowodowanego parowaniem włókna. Ciemnienie żarówki występuje, gdy cząsteczki materiału włókna osadzają się na wewnętrznej ścianie szklanej kolby w wyniku parowania włókna podczas pracy.

To ciemnienie staje się bardziej widoczne po długim okresie życia żarówki. Wydajność żarówki z włóknem węglowym nie jest dobra, wynosi około 4,5 lumenów na wat. Tantal był używany jako materiał do włókna, ale jego wydajność jest znacznie gorsza, wynosi około 2 lumenów na wat. Dlatego tantal jest bardzo rzadko używany jako materiał do włókna.

Najbardziej szeroko stosowanym materiałem do włókna obecnie jest wolfram ze względu na jego wysoką efektywność luminiscencyjną. Może on wydać 18 lumenów na wat przy temperaturze pracy 2000oC. Ta efektywność może wzrosnąć do 30 lumenów na wat przy temperaturze pracy 2500oC. Wysoki punkt topnienia jest kluczowym kryterium dla materiału włókna, ponieważ musi on pracować w bardzo wysokiej temperaturze bez parowania.

Mimo że wolfram ma nieco niższy punkt topnienia niż węgiel, to wolfram jest bardziej preferowany jako materiał do włókna. Jest to spowodowane wysoką temperaturą pracy, która sprawia, że wolfram jest bardziej efektywny luminiscencyjnie. Mechaniczna wytrzymałość włókna wolframowego jest wystarczająco duża, aby wytrzymać drgania mechaniczne.

Liczba godzin pracy żarówek

Bez względu na technologię produkcji, każda żarówka ma pewną przybliżoną liczbę godzin pracy. Jest to spowodowane zjawiskiem parowania włókna, które można zminimalizować, ale nie można całkowicie uniknąć.

Ze względu na parowanie włókna, szklana kolba ciemnieje z czasem. Ze względu na parowanie, włókno staje się cieńsze, co sprawia, że jest mniej efektywne luminiscencyjnie, a w końcu pęka. Ponieważ żarówki są bezpośrednio podłączone do linii zasilania, wahania napięcia w sieci wpływają na wydajność żarówki.

Stwierdzono, że efektywność luminiscencyjna żarówki jest proporcjonalna do kwadratu napięcia zasilania, ale jednocześnie liczba godzin pracy żarówki jest odwrotnie proporcjonalna do 13tej do 14tej potęgi napięcia zasilania. Głównymi zaletami żarówek są ich taniość i odpowiedniość do oświetlania małych obszarów. Jednak te żarówki nie są efektywne energetycznie, a około 90% wejściowej energii elektrycznej jest tracone w postaci ciepła.

Dostępność żarówek na rynku