Princip incandescenčne svetlobe in konstrukcija incandescenčne svetlobe

Električni vir svetlobe, ki deluje na principu žarjenja, se imenuje žarni svetilnik. Z drugimi besedami, svetilnik, ki deluje zaradi žarjenja viti, povzročenega električnim tokom skozi njo, se imenuje žarni svetilnik.

Kako delujejo žarni svetilniki?

Ko je predmet zagojen, se atomi znotraj predmeta toplotno vzbuja. Če se predmet ne topi, se zunanjorske elektrone atomov premaknejo na višje energetske ravni zaradi dodane energije. Elektroni na teh višjih energetskih ravnih niso stabilni, zato se spet vrnejo na nižje energetske ravni. Med padanjem s višjih na nižje energetske ravni elektroni izdajo svojo dodatno energijo v obliki fotonov. Ti fotoni so nato izvedeni s površine predmeta v obliki elektromagnetnega sevanja.

To sevanje bo imelo različne valovne dolžine. Del valovnih dolžin je v vidnem spektru, velik del pa v infrardečem spektru. Elektromagnetna valovanja z valovnimi dolžinami v območju infrardečega sevanja predstavljajo toploto, medtem ko elektromagnetna valovanja z valovnimi dolžinami v vidnem spektru predstavljajo svetlobo.

Žarnost pomeni ustvarjanje vidne svetlobe z zagrevanjem predmeta. Žarni svetilnik deluje po istemu principu. Najpreprostejša oblika umetnega vira svetlobe, ki uporablja elektriko, je žarni svetilnik. Tukaj uporabljamo električni tok, da teče skozi tanko in fino vito za ustvarjanje vidne svetlobe. Tok poviša temperaturo vite do take mere, da postane lučna.

Zgodovina žarnega svetilnika

Običajno se trdi, da je Thomas Edison bil izumitelj žarnega svetilnika, toda dejanska zgodovina ni bila tako. Številni znanstveniki so delali in razvijali prototipe žarnih svetilnikov pred Edisonom. Eden od njih je bil britanski fizik Joseph Wilson Swan. Po zapisu je dobil prvo patent za žarni svetilnik. Kasneje sta Edison in Swan združila sile za proizvodnjo žarnih svetilnikov v komercialnih merilih.

Gradnja žarnega svetilnika

Vita je pripevana na dve vodili. Ena vodilo je povezana z kontaktom na podlagi, druga pa konča na kovinski osnovi svetilnika. Obe vodili prehodita skozi stekleno podporo, nameščeno v spodnjem sredinskem delu svetilnika. Dve podporni vodili, tudi pripevani na stekleno podporo, se uporabljata za podporo vite v sredini. Kontakt na podlagi je izoliran od kovinske osnove s termičnimi materiali. Celotni sistem je zaprt v barvno ali fosforitno prekriti ali prozoričnem steklenem svetilniku. Stekleni svetilnik lahko vsebuje inertne pline ali je vakuum, odvisno od ocene žarnega svetilnika.

Vita žarnih svetilnikov je hermetično zaprta z steklenim svetilnikom ustreznega oblika in velikosti. Ta stekleni svetilnik se uporablja za izolacijo vite od okoljskega zraka, da se prepreči oksidacija vite in minimalizira konvekcijski tok okoli vite, kar ohranja visoko temperaturo vite.

Stekleni svetilnik je bodisi vakuum ali polnjen s plini, kot je argon, s majhnim deležem dušika pod nizkim tlakom. Inertni plini se uporabljajo, da se minimalizira isparjanje vite med delovanjem svetilnika. Toda zaradi konvekcijskega pretoka inertnega plina znotraj svetilnika obstaja večja možnost izgube toplote vite med delovanjem.

Ponovno, vakuum je odličen izolator toplote, toda pospešuje isparjanje vite med delovanjem. V primeru plinsko polnjenih žarnih svetilnikov se uporablja 85% argona zmiješanega s 15% dušika. Občasno se lahko uporabi kripton, da se zmanjša isparjanje vite, ker ima kripton gas zelo visoko molekularno maso.

Toda ta postopek je dražji. Plini so polnjeni v svetilnik pri približno 80% atmosferskega tlaka. Plin se polni v svetilnik z oceno večjo od 40 W. Za svetilnike z oceno manjšo od 40 W pa se plin ne uporablja.

Različni deli žarnega svetilnika so prikazani spodaj.

Vita žarnega svetilnika

Danes so žarni svetilniki na voljo v različnih ocenah vati, kot so 25, 40, 60, 75, 100 in 200 vat itd. Obstajajo različne oblike svetilnikov, toda bistveno so vsi okrogli. Za proizvodnjo vite žarnih svetilnikov se uporabljajo predvsem tri materiali: ogljik, tantal in volfram. Ogljik se je prej uporabljal za material vite, toda danes se največ uporablja volfram.

Točka taljenja oglične vite je približno 3500°C, operativna temperatura pa je približno 1800°C, zato je možnost isparjanja zelo majhna. Zaradi tega so žarni svetilniki z oglično vito brez temnenja zaradi isparjanja vite. Temnenje svetilnika nastane, ko se molekule materiala vite odložijo na notranjo stran steklenega svetilnika zaradi isparjanja vite med delovanjem.

To temnenje postane opazno po dolgem času življenja svetilnika. Učinkovitost žarnega svetilnika z oglično vito ni dobra, saj je približno 4,5 lumenov na vat. Tantal se je uporabljal kot vito, toda njegova učinkovitost je zelo slaba, saj je približno 2 lumenov na vat. Zaradi tega se tantal zelo redko uporablja kot element vite.

Najbolj pogosto uporabljan material za vito danes je volfram zaradi njegove visoke luminosne učinkovitosti. Lahko da 18 lumenov na vat, ko deluje pri 2000°C. Ta učinkovitost lahko doseže do 30 lumenov na vat, ko deluje pri 2500°C. Visoka točka taljenja je ključen kriterij za material vite, saj mora delovati pri zelo visokih temperaturah brez isparjanja.

Čeprav ima volfram malo slabšo točko taljenja kot oglik, je še vedno bolj preferabilen kot material za vito. To je zaradi visokih operativnih temperatur, ki volfram naredijo zelo luminosno učinkovite. Mekanska trdnost vite iz volframa je zelo visoka, da bi uprla mehanskim vibracijam.

Življenjska doba žarnih svetilnikov

Ne glede na tehnologijo izdelave, ima vsak tip žarnih svetilnikov neko približno življenjsko dobo. To je zaradi pojavnosti isparjanja vite, ki jo je mogoče zmanjšati, toda ne more biti popolnoma preprečena.

Zaradi isparjanja vite se stekleni svetilnik temni z časom. Zaradi isparjanja vite postane vita tanja, kar naredi svetilnik manj luminosno učinkovite, in na koncu se vita polomi. Ker so žarni svetilniki neposredno povezani s strmi napajalne linije, vplivajo nihanja napetosti na delovanje svetilnika.

Ugotovljeno je, da je luminosna učinkovitost žarnega svetilnika neposredno sorazmerna s kvadratom napetosti, toda hkrati je življenjska doba svetilnika obratno sorazmerna s 13. do 14. potenco napetosti. Glavne prednosti žarnih svetilnikov so, da so dovolj poceni in zelo primerni za osvetlitev majhnih prostorov. Toda ti svetilniki niso energetski učinkoviti in približno 90% vhodne električne energije je izgubljeno kot toplota.

Razpoložljivost žarnih svetilnikov na trgu