Glödlampsprincip och konstruktion av glödlampa

Den elektriska ljuskällen som fungerar enligt glödprincipen kallas glödlampa. Med andra ord, lampan som fungerar genom att glöden i filamen orsakas av elektrisk ström genom den, kallas glödlampa.

Hur fungerar glödlampor?

När ett objekt upphettas blir atomerna inuti objektet termiskt upphettade. Om objektet inte smälter, hoppa de yttre elektronerna i atomernas banor till högre energinivåer på grund av den tillförd energi. Elektronerna på dessa högre energinivåer är instabila och faller tillbaka till lägre energinivåer. När de faller från högre till lägre energinivåer släpper de sin extra energi i form av fotoner. Dessa fotoner emitteras sedan från objektets yta i form av elektromagnetisk strålning.

Denna strålning har olika våglängder. En del av våglängderna ligger inom synliga våglängder, och en betydande del ligger inom infraröda våglängder. Den elektromagnetiska vågen med våglängder inom infrarött spektrum är värmeenergi, och den elektromagnetiska vågen med våglängder inom synliga spektrum är ljusenergi.

Glöd innebär att producera synligt ljus genom uppvärmning av ett objekt. En glödlampa fungerar enligt samma princip. Den enklaste formen av artificiell ljuskälla som använder elektricitet är en glödlampa. Här använder vi elektrisk ström för att flöda genom en tunn filam för att producera synligt ljus. Strömmen höjer temperaturen på filamen till sådan grad att den blir ljusgivande.

Historik om glödlampor

Det brukar anses att Thomas Edison var uppfinnaren av glödlampan, men den faktiska historien var inte så. Det fanns flera vetenskapsmän som arbetade och designade prototyper för glödlampan innan Edison gjorde det. En av dem var den brittiske fysikern Joseph Wilson Swan. Enligt dokumentationen fick han det första patentet för glödlampan. Senare slogs Edison och Swan ihop för att producera glödlampor i kommersiell skala.

Konstruktion av glödlampa

Filamen är fäst över två ledningsdråtar. En ledningsdråt är ansluten till fotkontakten och den andra är avslutad på lampans metallbas. Båda ledningsdråtarna går igenom glasstöd som monterats i mitten av lampen. Två stöddråtar är också fäst vid glasstödet och används för att stödja filamen i dess mitt. Fotkontakten är isolerad från metallbasen med isolerande material. Hela systemet är omslutet av en färgad, fosforbelagd eller transparent glasbulb. Glasbulben kan fyllas med edelgaser eller hållas vakuum beroende på glödlampans effekt.

Filamen i glödlampor är lufttätt evakuerad med en glasbulb av lämplig form och storlek. Denna glasbulb används för att isolera filamen från omgivande luft för att förhindra oxidation av filamen och för att minimera konvektionströmmar runt filamen, vilket hjälper till att hålla filamenttemperaturen hög.

Glasbulben hålls antingen vakuum eller fylls med edelgaser som argon med en liten procentandel kväve vid låg tryck. Edelgaser används för att minimera filaments avdunstning under lampans drift. Men på grund av konvektionströmmar av edelgas inuti bulben finns det större risker för att filamentet förlorar värme under drift.

Vakuum är en bra värmeisolering, men det ökar avdunstningen av filamen under drift. I fallet med gasfyllda glödlampor används 85% argon blandat med 15% kväve. Ibland kan krypton användas för att minska filaments avdunstning eftersom molekylvikten av krypton är ganska hög.

Men det kostar mer. Vid ungefär 80% av atmosfärstrycket fylls gaserna i bulben. Gas fylls i bulben med effekter över 40 W. Men för mindre än 40 W-bulb används ingen gas.

De olika delarna av en glödlampa visas nedan.

Filamen i glödlampa

Numera finns glödlampor i olika effektklasser som 25, 40, 60, 75, 100 och 200 watt osv. Det finns olika former av bulb, men de flesta är rundade. Det finns huvudsakligen tre material som används för att producera filamen i glödlampor, och dessa är kol, tantal och wolfram. Kol användes tidigare för filamentsmaterial, men numera används wolfram mest för detta ändamål.

Smälttemperatur för kolfilament är ca 3500oC, och drifttemperatur för detta filamente är ca 1800oC, vilket gör chansen för avdunstning ganska liten. På grund av detta är glödlampor med kolfilament fria från mörknande på grund av filaments avdunstning. Mörknande av filamlampa inträffar när molekyler av filamentsmaterial deponeras på den inre väggen av glasbulben på grund av filaments avdunstning under drift.

Detta mörknande blir framträdande efter lampans långa livslängd. Effektiviteten hos kolfilamentslampan är inte bra, det är ca 4,5 lumen per watt. Tantal användes som filamentsmaterial, men dess effektivitet är mycket sämre, det är ca 2 lumen per watt. Detta beror på att tantal sällan används som filamentsmaterial.

Det mest använda filamentsmaterial nu för tiden är wolfram på grund av dess höga ljuseffektivitet. Det ger 18 lumen per watt när det drivs vid 2000oC. Denna effektivitet kan vara upp till 30 lumen per watt när det drivs vid 2500oC. Den höga smälttemperatur är en viktig kriterium för filamentsmaterial eftersom det måste fungera vid mycket hög temperatur utan att avdunsta.

Även om wolframs smälttemperatur är något lägre än kol, är wolfram ändå mer föredraget som filamentsmaterial. Detta beror på de höga drifttemperaturerna, vilket gör wolfram mycket ljuseffektivt. Mekaniska styrkan i wolframs filamen är ganska hög för att motstå mekaniska vibrationer.

Livslängd av glödlampor

Oavsett tekniken för tillverkning har varje typ av glödlampor en approximativ livslängd. Detta beror på filaments avdunstning, vilket kan minskas men inte helt undvikas.

På grund av filaments avdunstning mörknar glasbulben över tid. På grund av filaments avdunstning blir filamen tunnare, vilket gör filamen mindre ljuseffektiv och till slut bryts filamen. Eftersom filamlampor är direkt anslutna till nätet, påverkar spänningsfluktuationer i nätet lampans prestanda.

Det har visat sig att ljuseffektiviteten hos en glödlampa är proportionell mot kvadraten av nätspänningen, men samtidigt är lampans livslängd inversproportionell mot 13e till 14e potens av nätspänningen. De huvudsakliga fördelarna med glödlampor är att de är tillräckligt billiga och mycket lämpliga för belysning i små utrymmen. Men dessa lampor är inte energieffektiva och ca 90% av inmatad elenergi går förlorad som värme.

Tillgänglighet av glödlampor på marknaden

Det finns olika attraktiva former och storlekar av lampor tillgängliga på marknaden. PS30-lampor har päronform, T12-lampa är rörsformad med diameter 1,5 tum, R40-lampa har reflektorformad glasyta med diameter 5 tum. Baserat på tillgängliga effektklasser är lamporna vanliga på marknaden med 25, 40, 60, 75, 100, 150 och 200W osv. Vi kan följa tabellen nedan för att få viktiga data om glödlampa.