Princip rada žarulje i konstrukcija žarulje

Električni izvor svetla koji radi na principu žarićnog pojava zove se žarići. Drugim rečima, svetiljka koja radi zbog svetlosti vlakana uzrokovane električnim tokom kroz nju, zove se žarići.

Kako rade žarići?

Kada se objekat zagrije, atomi unutar objekta postaju toplinski uzbudljivi. Ako se objekat ne istopi, vanjski elektroni orbitala atoma skoče na više energetske nivoe zbog pružene energije. Elektroni na ovim višim energetskim nivoima nisu stabilni, opet padaju na niže energetske nivoe. Dok padaju sa viših na niže energetske nivoe, elektroni oslobađaju svoju dodatnu energiju u obliku fotonova. Ovi fotoni su zatim emitirani sa površine objekta u obliku elektromagnetskog zračenja.

Ovo zračenje će imati različite talase. Deo talasa je u vidljivom spektru talasa, a značajan deo talasa je u infracrvenom spektru. Elektromagnetska valna sa talasima unutar opsega infracrvenog spektra predstavlja toplotnu energiju, a elektromagnetska valna sa talasima unutar vidljivog spektra predstavlja svetlosnu energiju.

Žarići znači proizvodnja vidljive svetlosti zagrevanjem objekta. Žarići rade na istom principu. Najjednostavnija forma umetnog izvora svetla koristeći elektricnu energiju su žarići. Ovdje koristimo električni tok da protiče kroz tanko i fino vlakno kako bi proizveo vidljivu svetlost. Tok podiže temperaturu vlakna do te mere da postane svetionik.

Istorija žarića

Obično se smatra da je Tomas Edison bio izumitelj žarića, ali stvarna istorija nije bila tako. Bilo je brojnih naučnika koji su radili i dizajnirali prototip za žariće pre Edisona. Jedan od njih je bio britanski fizik Džozef Vilson Swan. Prema zapisima, on je dobio prvu patent za žariće. Kasnije su Edison i Swan spojili sile da proizvedu žariće u komercijalnom merilu.

Konstrukcija žarića

Vlakno je pričvršćeno na dva vodilna žica. Jedna vodilna žica je povezana sa kontaktom na podnožju, a druga se završava na metalnoj osnovi svetiljke. Obje vodilne žice prođu kroz stakleno podupire koje je montirano u donjem srednjem delu svetiljke. Dve podržavajuće žice takođe pričvršćene na stakleno podupire, koriste se za podršku vlakna u njegovom srednjem delu. Kontakt na podnožju je izolovan od metala osnove materijalima za izolaciju. Čitav sistem je zapakiran bojičnim, fosforiranim ili prozirnim staklenim omotačem. Stakleni omotač može biti ispunjen inertnim plinovima ili održava vakuum u zavisnosti od snage žarića.

Vlakno žarića je hermetično evakuirano sa staklenim omotačem odgovarajuće forme i veličine. Ovaj stakleni omotač se koristi da izoluje vlakno od okružujućeg zraka kako bi se sprečila oksidacija vlakna i minimalizovala konvekcijska struja oko vlakna, čime se održava visoka temperatura vlakna.

Stakleni omotač je ili održava vakuum ili je ispunjen inertnim plinovima kao što je argon sa malim procenat azota pod niskim pritiskom. Inertni plinovi se koriste da minimaliziraju isparavanje vlakna tokom rada svetiljaka. Međutim, zbog konvekcijskog toka inertnog plina unutar omotača, veće su šanse gubitka toplote vlakna tokom rada.

Ponovo, vakuum je veliki izolator toplote, ali ubrzava isparavanje vlakna tokom rada. U slučaju plinom ispunjenih žarića, koristi se 85% argona mešanog sa 15% azota. Ponekad se može koristiti kripton kako bi se smanjilo isparavanje vlakna, jer je molekularna masa kriptona veoma visoka.

Međutim, to je skuplje. Plinovi su ispunjeni u omotač sa otprilike 80% atmosferskog pritiska. Plin se ispunjava u omotač sa snazama većim od 40 W. Za manje od 40 W svetiljke, plin se ne koristi.

Različiti delovi žarića su prikazani ispod.

Vlakno žarića

Danas su žarići dostupni u različitim snagama poput 25, 40, 60, 75, 100 i 200 vatija itd. Postoje različite forme svetiljki, ali su u osnovi sve zaobljene. Glavni materijali koji se koriste za proizvodnju vlakna žarića su ugljen, tantal i volfram. Ugljen se prethodno koristio kao materijal za vlakno, ali danas najčešće se koristi volfram.

Tačka taljenja ugljenog vlakna je oko 3500oC, a radna temperatura ovog vlakna je oko 1800oC, stoga je mogućnost isparavanja vrlo mala. Zbog toga su žarići sa ugljenim vlaknom slobodni od tamnjenja zbog isparavanja vlakna. Tamnjenje žarića nastaje kada se molekuli materijala vlakna depone na unutrašnjoj površini staklenog omotača zbog isparavanja vlakna tokom rada.

Ovo tamnjenje postaje izraženo nakon dugog veka svetiljke. Efikasnost žarića sa ugljenim vlaknom nije dobra, iznosi oko 4.5 lumeni po vat. Tantal se koristio kao vlakno, ali je njegova efikasnost mnogo lošija, iznosi oko 2 lumeni po vat. To je zato što se tantal vrlo rijetko koristi kao element vlakna.

Najčešće korišćeni materijal za vlakno danas je volfram zbog njegove visoke luminosne efikasnosti. Može dati 18 lumeni po vat kada radi na 2000oC. Ova efikasnost može biti do 30 lumeni po vat kada radi na 2500oC. Visoka tačka taljenja je glavni kriterijum za materijal vlakna, jer mora da radi na vrlo visokoj temperaturi bez isparavanja.

Iako volfram ima malo lošiju tačku taljenja od ugljena, ipak je volfram preferentniji kao materijal za vlakno. To je zato što visoka radna temperatura čini volfram mnogo efikasnijim u pogledu luminosti. Mekhanička čvrstoća vlakna od volframa je vrlo visoka da bi izdržala mehaničke vibracije.

Vek žarića

Bez obzira na tehnologiju proizvodnje, svaki tip žarića ima približan vek trajanja. To je zbog fenomena isparavanja vlakna, koji se može minimizirati, ali ne može se potpuno izbeći.

Zbog isparavanja vlakna, stakleni omotač tamne tokom vremena. Zbog isparavanja vlakna, vlakno postaje tanje, što ga čini manje luminosno efikasnim, a na kraju vlakno se preklapa. Kako su žarići direktno povezani sa linijom snabdevanja, fluktuacije napona na liniji utiču na performanse svetiljke.

Utvrđeno je da je luminosna efikasnost žarića direktno proporcionalna kvadratu naponske snage, ali istovremeno, vek svetiljke je obrnuto proporcionalan 13om do 14om stepenu naponske snage. Glavne prednosti žarića su da su dovoljno jeftini i vrlo prikladni za osvetljenje malih prostora. Međutim, ove svetiljke nisu energetski efikasne i oko 90% ulazne električne energije gubi se kao toplota.

Dostupnost žarića na tržištu

Na tržištu su dostupne različite privlačne forme i veličine svetiljki. PS30 svetiljke imaju grushevastu formu, T12 svetiljka je tubularna sa prečnikom od 1.5 inča,