Nguyên lý Đèn Sợi Đốt và Cấu tạo của Đèn Sợi Đốt

Nguồn sáng điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiện tượng phát sáng được gọi là Đèn Sợi Đốt. Nói cách khác, đèn hoạt động do sợi đốt phát sáng do dòng điện đi qua nó, được gọi là đèn sợi đốt.

Đèn Sợi Đốt Hoạt Động Như Thế Nào?

Khi một vật được làm nóng, các nguyên tử bên trong vật đó trở nên kích thích nhiệt. Nếu vật không tan chảy, các electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn do năng lượng cung cấp. Các electron ở mức năng lượng cao này không ổn định, chúng lại rơi xuống mức năng lượng thấp hơn. Trong quá trình rơi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, các electron giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng photon. Những photon này sau đó được phát ra từ bề mặt vật dưới dạng bức xạ điện từ.

Bức xạ này sẽ có nhiều bước sóng khác nhau. Một phần của bước sóng nằm trong dải bước sóng nhìn thấy, và một phần lớn của bước sóng nằm trong dải hồng ngoại. Sóng điện từ với bước sóng nằm trong dải hồng ngoại là năng lượng nhiệt và sóng điện từ với bước sóng nằm trong dải nhìn thấy là năng lượng ánh sáng.

Phát sáng nghĩa là tạo ra ánh sáng nhìn thấy bằng cách làm nóng một vật. Một đèn sợi đốt hoạt động theo cùng nguyên lý. Hình thức đơn giản nhất của nguồn sáng nhân tạo sử dụng điện là đèn sợi đốt. Ở đây, chúng ta sử dụng dòng điện để đi qua một sợi đốt mỏng và tinh vi để tạo ra ánh sáng nhìn thấy. Dòng điện làm tăng nhiệt độ của sợi đốt đến mức nó trở nên phát sáng.

Lịch Sử Của Đèn Sợi Đốt

Thông thường, người ta cho rằng Thomas Edison là người phát minh ra đèn sợi đốt, nhưng thực tế lịch sử không phải như vậy. Có rất nhiều nhà khoa học đã làm việc và thiết kế mẫu thử nghiệm cho đèn sợi đốt trước khi Edison làm. Một trong số họ là nhà vật lý Anh Joseph Wilson Swan. Theo hồ sơ, ông đã nhận bằng sáng chế đầu tiên cho đèn sợi đốt. Sau đó, Edison và Swan hợp tác để sản xuất đèn sợi đốt quy mô thương mại.

Cấu Tạo Của Đèn Sợi Đốt

Sợi đốt được gắn vào hai dây dẫn. Một dây dẫn được kết nối với tiếp điểm chân và dây dẫn còn lại được kết thúc trên đáy kim loại của bóng đèn. Cả hai dây dẫn đều đi qua giá đỡ kính được gắn ở giữa phía dưới của bóng đèn. Hai dây hỗ trợ cũng được gắn vào giá đỡ kính, được sử dụng để hỗ trợ sợi đốt ở phần giữa. Tiếp điểm chân được cách ly khỏi đáy kim loại bằng vật liệu cách điện. Toàn bộ hệ thống được bao bọc bởi một bóng đèn kính có màu, phủ phốt pho hoặc trong suốt. Bóng đèn kính có thể được nạp khí trơ hoặc giữ chân không tùy thuộc vào công suất của đèn sợi đốt.

Sợi đốt của đèn sợi đốt được bơm hút chân không kín với một bóng đèn kính có hình dạng và kích thước phù hợp. Bóng đèn kính này được sử dụng để cách ly sợi đốt khỏi không khí xung quanh để ngăn chặn sự oxy hóa của sợi đốt và giảm thiểu dòng đối lưu xung quanh sợi đốt, do đó giữ cho nhiệt độ của sợi đốt cao.

Bóng đèn kính được giữ trong tình trạng chân không hoặc được nạp khí trơ như argon với một tỷ lệ nhỏ nitơ ở áp suất thấp. Khí trơ được sử dụng để giảm thiểu sự bay hơi của sợi đốt trong quá trình sử dụng. Tuy nhiên, do dòng đối lưu của khí trơ bên trong bóng đèn, sẽ có khả năng mất nhiệt của sợi đốt trong quá trình hoạt động.

Chân không là một chất cách nhiệt nhiệt tốt, nhưng nó làm tăng tốc độ bay hơi của sợi đốt trong quá trình hoạt động. Đối với đèn sợi đốt được nạp khí, 85% argon được trộn với 15% nitơ. Đôi khi, krypton có thể được sử dụng để giảm sự bay hơi của sợi đốt vì trọng lượng phân tử của khí krypton khá cao.

Tuy nhiên, nó có chi phí cao hơn. Tại khoảng 80% áp suất khí quyển, khí được nạp vào bóng đèn. Khí được nạp vào bóng đèn có công suất hơn 40 W. Nhưng cho bóng đèn có công suất dưới 40 W, không có khí được sử dụng.

Các bộ phận của đèn sợi đốt được hiển thị dưới đây.

Sợi Đốt Của Đèn Sợi Đốt

Hiện nay, đèn sợi đốt có sẵn với nhiều công suất khác nhau như 25, 40, 60, 75, 100 và 200 watt v.v. Có nhiều hình dạng của bóng đèn, nhưng cơ bản, tất cả đều có hình tròn. Có ba loại vật liệu chính được sử dụng để sản xuất sợi đốt của đèn sợi đốt, đó là carbon, tantan và wolfram. Carbon trước đây được sử dụng làm vật liệu sợi đốt, nhưng hiện nay wolfram được sử dụng phổ biến nhất.

Điểm nóng chảy của sợi đốt carbon là khoảng 3500oC, và nhiệt độ hoạt động của sợi đốt này là khoảng 1800oC, do đó khả năng bay hơi là khá ít. Do đó, đèn sợi đốt carbon không bị tối do bay hơi sợi đốt. Hiện tượng tối của đèn sợi đốt xảy ra khi các phân tử vật liệu sợi đốt được lắng đọng trên thành trong của bóng đèn do bay hơi sợi đốt trong quá trình hoạt động.

Hiện tượng tối này trở nên rõ ràng sau thời gian sử dụng dài. Hiệu suất của đèn sợi đốt carbon không tốt, chỉ khoảng 4,5 lumen mỗi watt. Tantan được sử dụng làm sợi đốt, nhưng hiệu suất của nó kém hơn, chỉ khoảng 2 lumen mỗi watt. Vì vậy, tantalum rất ít được sử dụng làm vật liệu sợi đốt.

Vật liệu sợi đốt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là wolfram vì hiệu suất phát sáng cao. Nó có thể cung cấp 18 lumen mỗi watt khi hoạt động ở 2000oC. Hiệu suất này có thể lên đến 30 lumen mỗi watt khi hoạt động ở 2500oC. Điểm nóng chảy cao là tiêu chí quan trọng cho vật liệu sợi đốt vì nó phải hoạt động ở nhiệt độ rất cao mà không bị bay hơi.

Mặc dù wolfram có điểm nóng chảy kém hơn một chút so với carbon, nhưng wolfram vẫn được ưa chuộng hơn làm vật liệu sợi đốt. Điều này là do nhiệt độ hoạt động cao làm cho wolfram hiệu quả về mặt phát sáng. Độ bền cơ học của sợi đốt wolfram đủ cao để chịu đựng được rung động cơ học.

Thời Gian Sử Dụng Của Đèn Sợi Đốt

Dù công nghệ sản xuất như thế nào, mỗi loại đèn sợi đốt đều có một khoảng thời gian sử dụng gần đúng. Điều này là do hiện tượng bay hơi sợi đốt, có thể giảm thiểu nhưng không thể tránh hoàn toàn.

Do bay hơi sợi đốt, bóng đèn sẽ tối dần theo thời gian. Do bay hơi sợi đốt, sợi đốt trở nên mỏng hơn, làm giảm hiệu suất phát sáng và cuối cùng, sợi đốt sẽ bị đứt. Vì đèn sợi đốt được kết nối trực tiếp với đường dây điện, nên dao động điện áp trong đường dây ảnh hưởng đến hiệu suất của bóng đèn.

Đã tìm thấy rằng hiệu suất phát sáng của đèn sợi đốt tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp cung cấp, nhưng đồng thời, thời gian sử dụng của đèn tỷ lệ nghịch với 13th đến 14th luỹ thừa của điện áp cung cấp. Ưu điểm chính của đèn sợi đốt là chúng rẻ và rất phù hợp cho chiếu sáng ở những khu vực nhỏ. Tuy nhiên, các đèn này không hiệu quả về mặt năng lượng và khoảng 90% năng lượng điện đầu vào bị mất dưới dạng nhiệt.

Khả Năng Có Sẵn Của Đèn Sợi Đốt Trên Thị Trường

Có nhiều hình dạng và kích thước hấp dẫn của bóng đèn có sẵn trên thị trường. Đèn PS30 có hình dạng quả lê, đèn T12 có hình ống với đường kính 1,5 inch, đèn R40 có vỏ đèn phản xạ với đường kính 5 inch. Dựa trên công suất có sẵn, các bóng đèn phổ biến trên thị trường với 25, 40, 60, 75, 100, 150 và 200W v.v. Chúng ta có thể tham khảo bảng dưới đây để có thông tin quan trọng về đèn sợi đốt.