Vse, kar niste vedeli o prvi žarnici z žarilno nitko. Indikatorji temperature žarnic z žarilno nitko

Opredelitev
- vir svetlobe, ki pretvarja energijo električnega toka, ki poteka vzdolž spiralne svetilke, v toploto in svetlobo. Glede na fizično naravo ločimo dve vrsti sevanja: toplotno in luminiscentno.
Toplotna svetloba se imenuje sevanje, ki se pojavi
pri segrevanju teles. Sijaj električnih žarnic z žarilno nitko temelji na uporabi toplotnega sevanja.

Prednosti in slabosti

Prednosti žarnic z žarilno nitko:
ko so vklopljeni, zasvetijo skoraj v trenutku;
so majhne velikosti;
njihova cena je nizka.

Glavne pomanjkljivosti žarnic z žarilno nitko:
svetilke imajo bleščečo svetlost, ki negativno odraža vid osebe, zato zahtevajo uporabo ustrezne armature za omejitev bleščanja;
imajo kratko življenjsko dobo (približno 1000 ur);
življenjska doba svetilk se znatno zmanjša s povečanjem napajalne napetosti.

Svetlobna učinkovitostžarnice z žarilno nitko, opredeljeno kot razmerje med močjo žarkov vidnega spektra in močjo, porabljeno iz električnega omrežja, je zelo majhna in ne presega 4%.

Tako je glavna pomanjkljivost žarnic z žarilno nitko njihova nizka svetlobna moč. Konec koncev se le nepomemben del električne energije, ki jo porabijo, pretvori v energijo vidnega sevanja, preostanek energije gre v toploto, ki jo oddaja svetilka.

Načelo delovanja.

Načelo delovanja žarnic z žarilno nitko temelji na pretvorbi električne energije, ki prehaja skozi žarilno nitko, v svetlobo. Temperatura segrete žarilne nitke doseže 2600 ... 3000 "C. Toda žarilna nitka se ne topi, ker tališče volframa (3200 ... 3400 ° C) presega temperaturo žarilne nitke. Spekter žarnic se razlikuje iz spektra dnevne svetlobe s prevlado rumenega in rdečega spektra.žarkov.
Žarnice žarnic z žarilno nitko se evakuirajo ali napolnijo z inertnim plinom, v katerem volframova žarilna nitka ni oksidirana: z dušikom; argon; kripton; mešanica dušika, argona, ksenona.

Naprava in delovanje žarnic z žarilno nitko

Žarnica z žarilno nitko (slika) sveti, ker žarilno nitko ognjevzdržne volframove žice segreva tok, ki teče skozi njo. Da spirala ne bi hitro izgorela, se iz steklene jeklenke izčrpa zrak ali pa je jeklenka napolnjena z inertnim plinom. Spirala je pritrjena na elektrode. Ena od njih je spajkana na kovinsko vtičnico osnove, druga pa na kovinsko kontaktno ploščo. Loči jih izolacija. Ena od žic je priključena na vtičnico osnove, druga pa na kontaktno ploščo, kot je prikazano na sl. Nato ga tok, ki premaga električni upor NITI, segreje.

Žarnice z žarilno nitko

Pri označevanju žarnic z žarilno nitko črke pomenijo: B - vakuum; G - napolnjen s plinom; B - bispiralni; BK - bi-spiralni kripton (ima povečano svetlobno moč in manjše dimenzije v primerjavi s svetilkami C, B in D, vendar je dražji); DB - difuzno (z mat odsevno plastjo znotraj žarnice); MO - lokalna razsvetljava.

Črkama sledita dve skupini številk. Označujejo napetostno območje in moč žarnice.

Primer. "V 220 ... 230-25" pomeni napetost 220 ... 230 V, moč 2-5 W. Oznaka lahko vključuje tudi datum proizvodnje svetilke, na primer IX 2005.

Proizvajajo se svetilke z močjo do 150 W: v brezbarvnih prozornih valjih (svetlobni tok svetilk se ne zmanjša); v jeklenkah, zamrznjenih od znotraj (svetlobni tok svetilk se zmanjša za 3%); v opalnih bučkah; pobarvani v mlečno barvo valjev (svetlobni tok svetilk se zmanjša za 20%).
Svetilke z močjo do 200 W so izdelane tako z navojnimi kot zatičenimi običajnimi pokrovi. Svetilke nad 200 W so na voljo samo z navojnimi podstavki. Svetilke z močjo več kot 300 W so na voljo s podnožjem s premerom 40 mm.

Primeri izvedbe standardnih žarnic z žarilno nitko

Primeri žarnic z žarilno nitko so prikazani na sl. 2. Na sl. 2.a, b - žarnice enake moči, vendar na sl. 2.a - plin, napolnjen z argonovim plinom, in na sl. 2.b - s kriptonskim polnilom (kriptonom). Dimenzije kriptonske svetilke so manjše. Svetilka na sl. 2.c spominja na svečo. Te svetilke se pogosto uporabljajo v lestencih in stenskih svetilkah. Na sl. 2d, e, f prikazujejo dvospiralne, dvospiralne kriptonske in zrcalne svetilke.

Analiza strukture žarnice (slika 1, a) ugotovimo, da je glavni del njegove zasnove telo žarilne nitke 3 , ki se pod delovanjem električnega toka segreje do pojava optičnega sevanja. To je pravzaprav osnova principa delovanja svetilke. Pritrditev žarilne nitke znotraj svetilke se izvede z elektrodami 6 običajno drži svoje konce. Električni tok se preko elektrod dovaja tudi v grelno telo, torej so tudi notranji členi sponk. V primeru nezadostne stabilnosti žarečega telesa uporabite dodatna držala 4 ... Držala so spajkana na stekleno palico 5 , imenovana palica, ki ima na koncu odebelitev. Palica je združena s kompleksnim steklenim kosom - nogo. Noga, prikazana na sliki 1, b, sestavljen iz elektrod 6 , plošče 9 , in shtengel 10 , ki je votla cev, skozi katero se črpa zrak iz žarnice. Skupna povezava med vmesnimi sponkami 8 , palica, plošča in shtengel tvori lopatico 7 ... Povezava se izvede s taljenjem steklenih delov, pri čemer se naredi izpušna luknja 14 povezovanje notranje votline črpalne cevi z notranjo votlino žarnice. Za dovajanje električnega toka v filament skozi elektrode 6 uporabite vmesno 8 in zunanji sklepi 11 , povezani z električnim varjenjem.

Slika 1. Naprava električne žarnice z žarilno nitko ( a) in njene noge ( b)

Za izolacijo telesa žarilne nitke, pa tudi drugih delov žarnice od zunanjega okolja, se uporablja steklena žarnica 1 ... Zrak iz notranje votline bučke se izčrpa, namesto njega pa se vnese inertni plin ali mešanica plinov. 2 , po katerem se konec stebla segreje in zapre.

Za dovajanje električnega toka v svetilko in njeno pritrditev v električno držalo je svetilka opremljena s podstavkom 13 , ki je pritrjen na vrat bučke 1 izvedeno z uporabo osnovnega mastika. Vodi svetilke so spajkani na ustrezna mesta podnožja 12 .

Razporeditev svetlobe žarnice je odvisna od tega, kako se nahaja žarilno telo in kakšne oblike je. Toda to velja samo za svetilke s prozornimi žarnicami. Če si predstavljamo, da je žarilna nitka enako svetel valj in svetlobo, ki izhaja iz nje, projicira na ravnino, pravokotno na največjo površino svetlobne nitke ali spirale, bo imela največjo svetlobno jakost. Zato, da bi ustvarili potrebne smeri sil svetlobe, v različnih izvedbah svetilk dobijo filamenti določeno obliko. Primeri oblik žarilne nitke so prikazani na sliki 2. Ravne nepiralizirane nitke se v sodobnih žarnicah z žarilno nitko skoraj nikoli ne uporabljajo. To je posledica dejstva, da se s povečanjem premera telesa žarilne nitke izguba toplote skozi plin, ki polni žarnico, zmanjša.

Slika 2. Konstrukcija telesa filamenta:
a- visokonapetostna projekcijska svetilka; b- nizkonapetostna projekcijska svetilka; v- zagotavljanje diska enake svetlosti

Veliko število žarnic z žarilno nitko je razdeljeno v dve skupini. Prva skupina vključuje telesa z žarilno nitko, ki se uporabljajo v svetilkah za splošne namene, katerih zasnova je bila prvotno zasnovana kot vir sevanja z enakomerno porazdelitvijo svetlobne jakosti. Cilj zasnove takšnih svetilk je doseči največjo svetlobno učinkovitost, kar dosežemo z zmanjšanjem števila nosilcev, skozi katere se žarilna nitka hladi. Druga skupina vključuje tako imenovana ploska žareča telesa, ki se izvajajo bodisi v obliki vzporednih spiral (v močnih visokonapetostnih svetilkah) bodisi v obliki ravnih spiralov (v nizkonapetostnih svetilkah z nizko močjo). Prva izvedba je izdelana z velikim številom molibdenskih držal, ki so pritrjena s posebnimi keramičnimi mostički. Dolga žarilna nitka je nameščena v obliki košare, s čimer se doseže visoka skupna svetlost. Pri žarnicah z žarilno nitko, namenjenih za optične sisteme, morajo biti ohišja z žarilno nitko kompaktna. Da bi to naredili, se žareče telo zvije v lok, dvojno ali trojno vijačnico. Slika 3 prikazuje krivulje svetlobne jakosti, ki jih ustvarjajo žareča telesa različnih izvedb.

Slika 3. Krivulje svetlobne jakosti žarnic z različnimi žarilnimi telesi:
a- v ravnini, pravokotni na os svetilke; b- v ravnini, ki poteka skozi os svetilke; 1 - krožna spirala; 2 - ravna bispiralna; 3 - spirala, ki se nahaja na površini valja

Zahtevane krivulje svetilne jakosti žarnic z žarilno nitko lahko dobimo z uporabo posebnih žarnic z odsevnimi ali difuzijskimi premazi. Uporaba odsevnih premazov na ustrezno oblikovani žarnici omogoča široko paleto krivulj svetlobne jakosti. Svetilke z odsevnimi premazi imenujemo zrcalne svetilke (slika 4). Če je treba zagotoviti posebno natančno porazdelitev svetlobe v zrcalnih svetilkah, se uporabljajo žarnice, izdelane s stiskanjem. Takšne svetilke imenujemo žarometi. Nekatere zasnove žarnic z žarilno nitko imajo kovinske reflektorje vgrajene v žarnico.

Slika 4. Zrcalne žarnice z žarilno nitko

Materiali za žarnice z žarilno nitko

Kovine

Glavni element žarnic z žarilno nitko je telo z žarilno nitko. Za izdelavo filamenta je najbolj priporočljiva uporaba kovin in drugih materialov z elektronsko prevodnostjo. V tem primeru se telo s prehodom električnega toka segreje na zahtevano temperaturo. Material filamenta mora izpolnjevati številne zahteve: ima visoko tališče, duktilnost, ki omogoča vlečenje žic različnih premerov, vključno z zelo majhnimi, nizko stopnjo izhlapevanja pri delovnih temperaturah, kar vodi do visoke življenjske dobe in podobno. Tabela 1 prikazuje temperature taljenja ognjevzdržnih kovin. Najbolj ognjevzdržna kovina je volfram, ki je skupaj s svojo visoko duktilnostjo in nizko stopnjo izhlapevanja zagotovil široko uporabo kot žarilna nitko za žarnice z žarilno nitko.

Tabela 1

Temperatura taljenja kovin in njihovih spojin

Kovine	T, ° С	Karbidi in njihove mešanice	T, ° С	Nitridi	T, ° С	Borids	T, ° С
Volfram Renij Tantal Osmij molibden Niobij Iridij Cirkonij Platina	3410 3180 3014 3050 2620 2470 2410 1825 1769	4TaC + + HiC 4TaC + + ZrC HfC TaC ZrC NbC TiC stranišče W2C MoC VnC ScC SiC	3927 3887 3877 3527 3427 3127 2867 2857 2687 2557 2377 2267	TaC + + TaN HfN TiC + + TiN TaN ZrN Kositer BN	3373 3087 2977 2927 2727	HfB ZrB WB	3067 2987 2927

Stopnja izhlapevanja volframa pri temperaturah 2870 in 3270 ° C je 8,41 × 10 -10 in 9,95 × 10 -8 kg / (cm² × s).

Med drugimi materiali se lahko šteje za obetavnega renija, katerega tališče je nekoliko nižje od volframa. Renij se dobro obdeluje v segretem stanju, odporen proti oksidaciji in ima nižjo stopnjo izhlapevanja kot volfram. Obstajajo tuje publikacije o pridobivanju žarnic z volframovo žarilno nitko z dodatki renija, pa tudi o prekrivanju žarilne nitke s plastjo renija. Od nekovinskih spojin je zanimiv tantalov karbid, katerega stopnja izhlapevanja je za 20 - 30 % nižja od stopnje izhlapevanja volframa. Ovira pri uporabi karbidov, zlasti tantalovega karbida, je njihova krhkost.

Tabela 2 povzema osnovne fizikalne lastnosti idealnega volframovega filamenta.

tabela 2

Osnovne fizikalne lastnosti volframovega filamenta

Temperatura, K	Hitrost izhlapevanja, kg / (m2 × s)	Specifični električni upor, 10 -6 Ohm × cm	Svetlost cd / m²	Svetlobna učinkovitost, lm/W	Barvna temperatura, K
1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400	5,32 × 10 -35 2,51 × 10 -23 8,81 × 10 -17 1,24 × 10 -12 8,41 × 10 -10 9,95 × 10 -8 3,47 × 10 -6	24,93 37,19 50,05 63,48 77,49 92,04 107,02	0,0012 1,04 51,2 640 3640 13260 36000	0,0007 0,09 1,19 5,52 14,34 27,25 43,20	1005 1418 1823 2238 2660 3092 3522

Pomembna lastnost volframa je možnost pridobivanja njegovih zlitin. Iz njih izdelani deli ohranijo svojo stabilno obliko pri visokih temperaturah. Ko se volframova žica segreje, se med toplotno obdelavo žarilne nitke in poznejšim segrevanjem spremeni njena notranja struktura, imenovana toplotna rekristalizacija. Glede na naravo prekristalizacije ima filament lahko večjo ali manjšo dimenzijsko stabilnost. Nečistoče in dodatki, dodani volframu med njegovo proizvodnjo, vplivajo na naravo rekristalizacije.

Dodajanje torijevega oksida ThO 2 v volfram upočasni proces njegove rekristalizacije in zagotovi fino kristalno strukturo. Tak volfram je močan proti mehanskim udarcem, vendar se močno povesi in zato ni primeren za izdelavo grelnih teles v obliki spiral. Volfram z visoko vsebnostjo torijevega oksida se zaradi visoke emisivnosti uporablja za izdelavo katod žarnic na razelektritev v plinu.

Za izdelavo spiralov se uporablja volfram z dodatkom silicijevega oksida SiO 2 skupaj z alkalijskimi kovinami - kalijem in natrijem ter volframom, ki poleg zgoraj navedenega vsebuje še dodatek aluminijevega oksida Al 2 O 3. Slednje daje najboljše rezultate pri izdelavi keksov.

Elektrode večine žarnic z žarilno nitko so izdelane iz čistega niklja. Izbira je posledica dobrih vakuumskih lastnosti te kovine, ki oddaja v njej sorbirane pline, visokih prevodnih lastnosti in varljivosti z volframom in drugimi materiali. Dudtilnost niklja omogoča nadomestitev volframovega stiskanja, ki zagotavlja dobro električno in toplotno prevodnost. V vakuumskih žarnicah z žarilno nitko se namesto niklja uporablja baker.

Držala so običajno narejena iz molibdenove žice, ki ohrani svojo elastičnost pri visokih temperaturah. To omogoča, da filament ostane v raztegnjenem stanju tudi po tem, ko se zaradi segrevanja razširi. Molibden ima tališče 2890 K in temperaturni koeficient linearne ekspanzije (LTEC) v območju od 300 do 800 K, kar je 55 × 10 -7 K -1. Molibden se uporablja tudi za izdelavo puš v ognjevzdržna stekla.

Vodila žarnic z žarilno nitko so izdelana iz bakrene žice, ki je varjena s spoji na vodi. Žarnice z nizko močjo nimajo ločenih vodnikov, njihovo vlogo imajo podolgovati kabli iz platine. Kositrna svinčena spajka POS-40 se uporablja za spajkanje vodnikov na podlago.

Steklo

Gredi, plošče, stebla, bučke in drugi stekleni deli, ki se uporabljajo v isti žarnici z žarilno nitko, so izdelani iz silikatnega stekla z enakim temperaturnim koeficientom linearnega raztezanja, ki je potreben za zagotovitev tesnosti mest varjenja teh delov. Vrednosti temperaturnega koeficienta linearne ekspanzije stekel svetilke morajo zagotoviti, da se dosežejo ujemajoči se spoji s kovinami, ki se uporabljajo za izdelavo puš. Najbolj razširjena blagovna znamka stekla SL96-1 s temperaturnim koeficientom 96 × 10 -7 K -1. To steklo lahko deluje pri temperaturah od 200 do 473 K.

Eden od pomembnih parametrov stekla je temperaturno območje, znotraj katerega ohranja varivost. Za zagotovitev varljivosti so nekateri deli izdelani iz stekla SL93-1, ki se od stekla SL96-1 razlikuje po kemijski sestavi in ​​širšem temperaturnem območju, v katerem ohranja varljivost. Steklo blagovne znamke SL93-1 odlikuje visoka vsebnost svinčevega oksida. Če je treba zmanjšati velikost bučk, se uporabi več ognjevzdržnih stekel (na primer razreda SL40-1), katerih temperaturni koeficient je 40 × 10 -7 K -1. Ta stekla lahko delujejo pri temperaturah od 200 do 523 K. Najvišjo delovno temperaturo ima kremenovo steklo SL5-1, žarnice iz katerega lahko delujejo pri 1000 K in več več sto ur (temperaturni koeficient linearne ekspanzije kvarčnega stekla je 5,4 × 10 -7 K -1). Stekla naštetih blagovnih znamk so prozorna za optično sevanje v območju valovnih dolžin od 300 nm do 2,5 - 3 mikronov. Prenos silicijevega stekla se začne pri 220 nm.

Vhodi

Puše so izdelane iz materiala, ki mora poleg dobre električne prevodnosti imeti tudi toplotni koeficient linearne ekspanzije, ki zagotavlja, da se dobijo usklajeni spoji s stekli, ki se uporabljajo za izdelavo žarnic. Ujemajo se spoji materialov, katerih vrednosti toplotnega koeficienta linearne ekspanzije v celotnem temperaturnem območju, to je od minimalne do temperature žarjenja stekla, se razlikujejo za največ 10 - 15%. Pri spajkanju kovine v steklo je bolje, če je toplotni koeficient linearnega raztezanja kovine nekoliko nižji od koeficienta stekla. Potem, ko se spajkana ohladi, steklo stisne kovino. V odsotnosti kovine z zahtevano vrednostjo toplotnega koeficienta linearne ekspanzije je treba izdelati neprimerljive spajke. V tem primeru je s posebno zasnovo zagotovljena vakuumsko tesna povezava kovina-steklo v celotnem temperaturnem območju, pa tudi mehanska trdnost spajke.

Usklajen spoj s steklom SL96-1 je dosežen z uporabo platinastih puš. Visoka cena te kovine je privedla do potrebe po razvoju nadomestka, imenovanega "platina". Platina je žica iz železo-nikljeve zlitine s temperaturnim koeficientom linearne ekspanzije, ki je nižji od koeficienta stekla. Ko na takšno žico nanesemo bakreno plast, je mogoče dobiti dobro prevodno bimetalno žico z visokim temperaturnim koeficientom linearnega raztezanja, odvisno od debeline plasti prekrivne bakrene plasti in toplotnega koeficienta linearnega raztezanja originalne žice. Očitno je, da ta metoda ujemanja temperaturnih koeficientov linearnega raztezanja omogoča ujemanje predvsem v smislu diametralnega raztezanja, pri čemer je temperaturni koeficient vzdolžnega raztezanja neprekosljiv. Da bi zagotovili najboljšo vakuumsko gostoto spojev stekla SL96-1 s platino in povečali omočljivost nad bakreno plastjo, oksidirano po površini v bakrov oksid, je žica prekrita s plastjo boraksa (natrijeva sol borove kisline). Dovolj močne spajke so zagotovljene pri uporabi platinaste žice s premerom do 0,8 mm.

Vakuumsko tesno prileganje v steklo SL40-1 je doseženo z uporabo molibdenske žice. Ta par zagotavlja bolj dosledno prileganje kot steklo SL96-1 s platino. Omejena uporaba te spajke je posledica visokih stroškov surovin.

Za pridobitev vakuumsko zaprtih puš iz kremenčevega stekla so potrebne kovine z zelo nizkim toplotnim koeficientom linearnega raztezanja, ki ne obstajajo. Zato dobim želeni rezultat zaradi vhodne strukture. Uporabljena kovina je molibden, za katerega je značilna dobra omočljivost s kremenčevim steklom. Za žarnice z žarilno nitko v kremenčevih bučkah se uporabljajo preproste folijske žleze.

Plini

Polnjenje žarnic z žarilno nitko s plinom omogoča povečanje delovne temperature telesa z žarilno nitko brez zmanjšanja življenjske dobe zaradi zmanjšanja hitrosti brizganja volframa v plinskem mediju v primerjavi z brizganjem v vakuumu. Hitrost atomizacije se zmanjšuje s povečanjem molekulske mase in tlakom polnilnega plina. Tlak polnilnih plinov je približno 8 × 104 Pa. Kateri plin uporabiti za to?

Uporaba plinskega medija vodi do pojava toplotnih izgub zaradi toplotne prevodnosti skozi plin in konvekcije. Da bi zmanjšali izgube, je koristno napolniti svetilke s težkimi inertnimi plini ali zmesmi le -teh. Ti plini vključujejo dušik, argon, kripton in ksenon, pridobljene iz zraka. Tabela 3 prikazuje glavne parametre inertnih plinov. Dušik v čisti obliki se ne uporablja zaradi velikih izgub, povezanih z njegovo relativno visoko toplotno prevodnostjo.

Tabela 3

Osnovni parametri inertnih plinov

V seriji sta vključeni dve žarnici iz novoletne girlande

Danes, ko se ljudje pripravljajo na praznovanje novega leta, na blogu SamElektrik.ru že razmišljamo o poletju. Natančneje, o poletnem, katerega prvi članek objavljamo danes!

Članek lahko štejemo za znanstveni in teoretični, prej pa inženirski in praktični.
Nobenega dvoma ni, da bi se članek lahko izkazal za zanimivega za inženirje in tehnike, katerih dejavnosti so povezane z delovanjem tako preproste in vsem nam poznane naprave, kot je žarnica z žarilno nitko. In tudi - za vse, ki jih zanima fizika.

Spomnim vas, da je bil na mojem blogu že poskus raziskati to težavo - v mojem članku ""

Kljub navadnosti žarnice, kljub njenemu "vsakdanjemu življenju", imajo značilnosti njenega delovanja tisto, kar običajno imenujemo "bele lise".

Trenutno električnih parametrov žarnice z žarilno nitko ni mogoče izračunati, če se način delovanja razlikuje od potnega lista (od načina, za katerega je žarnica zasnovana). Avtor predlaga fizični model, v okviru katerega je mogoče dobiti številne formule, primerne za reševanje širokega spektra praktičnih inženirskih problemov.

Lastniku vira se zahvaljujem za prijazno dano priložnost za objavo teh spominov.

S.

Žarnica z žarilno nitko

Ta članek naj bi razumeli kot razširjeno razlago (ali razlago) člena "Keplerjev zakon za žarnico z žarilno nitko" - https://www.proza.ru/2016/09/19/1858

Ta članek vsebuje formulo, ki omogoča izračun parametrov žarnice z žarilno nitko v poljubnih načinih, vključno z načini, ki se razlikujejo od tistih v potnem listu.

Formula za odvisnost napetosti in moči žarnice

To je glavna formula članka, katerega rezultat bo podan spodaj. Formula izgleda takole:

Za vsako žarnico z žarilno nitko obstaja parameter, ki je stabilen v širokem razponu električnih načinov. Ta parameter je razmerje med napetostno kocko in močjo na kvadrat.

Tehnika uporabe formule je preprosta.

Vzamemo žarnico, preberemo na žarnici ali na podstavku parametre, za katere je zasnovana - napetost in moč, izračunamo konstanto, nato v formulo vnesemo poljubno napetost in izračunamo moč, ki se bo sprostila na žarnici. .

Če poznamo moč, je enostavno izračunati tok.

Če poznamo tok, je enostavno izračunati upor žarilne nitke.

Zato bomo obravnavali vprašanja, povezana s pravilnim delovanjem formule, pa tudi tiste omejitve, ki so neizogibne zaradi dejstva, da "absolutnih" formul preprosto ni.

Vendar najprej malo "teorije" ...

In kaj je novega v skupini VK SamElektrik.ru ?

Naročite se in preberite članek naprej:

Osnovne "teoretske" premise

Formula je bila pridobljena ob predpostavki, da imata v kovini (iz katere je žarilna nitka) tok in upor eno samo fizično bistvo.

V poenostavljeni obliki bi lahko trdili nekaj takega.

Po sodobnih pogledih je tok urejeno gibanje nosilcev naboja. Za kovino bodo to elektroni.

Predlagano je bilo, da je električni upor kovine določen s KAOTIČNIM gibanjem istih elektronov.

S povečanjem temperature žarilne nitke se kaotično gibanje elektronov poveča, kar na koncu vodi do povečanja električnega upora.

Ponovno. Tok in upor v filamentu sta ista stvar. Edina razlika je v tem, da je tok urejeno gibanje pod vplivom električnega polja, upor pa kaotično gibanje elektronov.

Malo "algebraične sholastike"

Zdaj, ko je "teorije" konec (nasmejano), bom dal algebraične izračune za izpeljavo "glavne" formule.

Kanonski zapis Ohmovega zakona izgleda tako:

I * R = U

Za uskladitev kvantitativnih vrednosti je potrebno vnesti ustrezne koeficiente sorazmernosti, za trenutno komponento - Кт in za uporovno komponento - Кр:

Najsplošnejši premisleki vodijo do ideje, da bi morali biti ti koeficienti medsebojno vzajemni vrednosti, kar pomeni:

V tem primeru, če pomnožimo desno in levo stran v parih (v sistemu enačb), se vrnemo k prvotnemu zapisu Ohmovega zakona:

I * R = U

Končna izpeljava formule

Oglejmo si podrobneje sistem enačb:

Prvo enačbo kvadrirajmo in jih pomnožimo v parih.

Na levi strani vidimo izraz za moč in ob upoštevanju, da je produkt koeficientov enak ena, bomo na koncu prepisali:

Od tu dobimo izraz za trenutni koeficient:

In za uporovni koeficient (so vzajemni):
kjer sta Pnom in Unom nazivna moč in napetost, označeni na podstavku ali na žarnici žarnice.

Ostaja še, da te vrednosti koeficientov nadomestimo v formuli "RASPLITNO" Ohmovega zakona in prejeli bomo končne izraze za tok in upor.

Če pomnožimo zadnje razmerje z Ux, dobimo:

Da se ne obremenjujete s temi kvadratki, kockami in koreninami, je dovolj, da se spomnite preprostega razmerja, ki sledi iz zadnjega razmerja. Z kvadriranjem zadnjega razmerja dobimo jasno in razumljivo formulo:

Za katero koli žarnico z volframovo žarilno nitko je razmerje med napetostno kocko in močjo na kvadrat KONSTANTNA vrednost.

Dobljena razmerja so se odlično ujemala s praktičnimi rezultati (meritvami) v širokem razponu parametrov napetosti in za zelo različne vrste žarnic z žarilno nitko, od notranjih, avtomobilskih in končanih z žarnicami za svetilke ...

Nekaj ​​splošnih pomislekov o odpornosti žarnic z žarilno nitko

Seveda se bodo pri nizkih napetostnih vrednostih (ko se uporabljena napetost OZNAČNO razlikuje od nazivne) naše formule "zasukale".

Na primer, pri izračunu upora sobne žarnice z žarilno nitko 95W, 230V, priključene na vir napetosti 1 volta, je formula

daje vrednost upora žarilne nitke 36,7171 ohmov.

Če predpostavimo, da smo na svetilko priključili napetost 0,1 volta, bo izračunana upornost žarilne nitke 11,611 ohmov ...

Intuicija kaže, da to sploh ni tako, ampak sploh ne ...

V območju nizkih napetosti bo formula stabilno "znižala" vrednost konstrukcijske upornosti v primerjavi z dejansko, in bistvo je to...

V obravnavanem konceptu se implicitno domneva, da bo kaotično gibanje elektronov "PUSTILO" v odsotnosti zunanje uporabljene napetosti. Vendar je očitno, da gibanje elektronov ne "zamrzne" tudi v odsotnosti zunanje napetosti (če žarnica le leži na mizi in ni nikjer vklopljena).

Kaotično gibanje elektronov je TERMIČNE narave in je posledica NARAVNE TEMPERATURE filamenta.

Ta trenutek formula ne upošteva in neposredna meritev upora upora z napravo neizogibno pokaže razliko med izmerjeno vrednostjo upora proti izračunani.

Sevanje in učinkovitost žarnice z žarilno nitko

Preden se lotimo vprašanja uporabnosti formule za izračun "nizkonapetostnih" načinov, se moramo osredotočiti na eno točko.

Žarnica je skoraj popoln pretvornik električne energije v sevalno energijo.

Dejstvo, da se razvijalci žarnic močno borijo za izboljšanje učinkovitosti žarnice, nikakor ne vpliva na to izjavo. Žarnica z žarilno nitko je idealen pretvornik električne energije v sevanje.

Dejstvo je, da si razvijalci prizadevajo povečati proizvodnjo LUČNE energije in v tem smislu se izračuna učinkovitost. Razvijalec skuša povečati koeficient pretvorbe električne energije v SVETLOBNO sevanje, v sevanje v vidnem območju.

Ta učinkovitost žarnice je res MAJHNA. Vendar žarnica odlično oddaja v VSEH spektru in veliko v infrardečem območju, kamor naše oči ne vidijo.

Za izračun čisto električnih parametrov za nas absolutno ni pomembno, V KAKŠNEM območju žarnica oddaja. Pomembno je le, da se spomnimo, da žarnica VEDNO SEVE, če je nanjo priložena le kakšna (četudi najmanjša) napetost. In pomembno si je zapomniti da se dovedena moč razprši prav v obliki sevanja.

Koliko električne energije je dovedeno v svetilko, se bo TAKŠNA moč razpršila v obliki sevanja.

Zakon o ohranjanju energije ni bil preklican in tudi drugi zakon termodinamike ni bil preklican. Torej, koliko dobička - toliko bi se moralo zmanjšati. In zmanjšal se bo ravno v obliki sevanja, ker preprosto ni kam iti več energije - samo v sevanju. To je zelo pomembna okoliščina.

Strukturno je nitka tanka volframova žica s premerom približno 50 mikronov in dolžino približno pol metra, zvita v spiralo zapletene konfiguracije.

Vakuum v bučki izključuje možnost konvekcijske izmenjave toplote – SAMO SKOZI SEVANJE.

Seveda del toplote gre ven skozi antene svetilke, na katero je pritrjena spirala, vendar je to majhno.

Če želite vizualizirati to majhnost, lahko potegnete analogijo.

Ponavljam, sama volframova nit je natanko velikosti dlake prvošolskega pujsa, dolga je 50 cm in ima premer 50 mikronov.

Če vizualno povečate te lase ... je, kot da imamo žice s premerom 1 mm in dolžino 10 metrov! Zdrava pamet narekuje, da hlajenje te žice sploh NE poteka s prenosom toplote na robovih. Da, nekaj bo izginilo na mestih stika, vendar se bo glavna moč razpršila po celotni dolžini ožičenja.

V primeru spirale, ki se nahaja v vakuumu, bo vsa moč šla v SEVANJE, ne glede na to, v katerem območju spektra ...

Pomemben poskus merjenja upora z ohmmetrom

Vsak, tudi najmanjši tok BO imel toplotni učinek na ožičenje, ki se bo segreval ...

Z merjenjem upora žarnice s testerjem ... skozenj prepeljemo TOK. Tok iz testerja je majhen, vendar JE. Zato z merjenjem upora niti nagrejemo navoj in posledično vrednost parametra spremenimo že zaradi samega dejstva meritve.

Grobo rečeno, tester TUDI LAŽI. Tester kaže vrednost upora tuljave NI PRAVI.

Da bi se prepričali o tej okoliščini, lahko naredite preprost poskus. Vsakdo lahko to stori.

Z ISTIM testerjem lahko izberete dve žarnici z enakimi (bližnjimi) vrednostmi "hladne" upornosti žarilne nitke in izmerite upor DVEH žarnic, najprej vsake posebej, nato pa povezane zaporedno.

Ponavljajoče meritve kažejo, da vsota uporov, izmerjenih ločeno, NE Sujema s celotnim uporom serijske povezave ...

Ločeno merimo upornosti žarnic.

Nato izmerimo upor serijske povezave.

STABILNO opažamo, da se vsota uporov, izmerjenih "ena za drugo", izkaže za VEČ od skupnega upora zaporedno povezanih žarnic.

Naprava je enaka, merilno območje ni bilo preklopljeno, tako da so metodične napake pri merjenju izključene.

In vse postane jasno.

Serijska upornost obeh tuljav ZMANJŠA tok iz testerja in filamenti se manj segrejejo.

In ko žarnice merimo ločeno, je merilni tok večji in s tem se odčitki naprave povečajo zaradi, čeprav majhnega, a POVEČANJA temperature žarilnih nitk zaradi segrevanja med meritvijo ...

Prej (pred četrt stoletja, ko so bili digitalni preizkuševalci še eksotika) je bilo s puščičnim indikatorjem nemogoče ujeti to razliko. Zdaj je v vsakem domu kitajski digitalni tester in vsak lahko naredi ta preprost poskus.

Razlika v odpornostih je majhna, razlika pa je OČITNA, kar izključuje celo kanček možne nepravilnosti izkušnje.

Priključil sem žarnice, priključil tester in fotografiral rezultate takšnih poskusov. Fotografije jasno kažejo, da tester kaže zmanjšan upor zaporedno povezanih žarnic.

Na fotografijah za gospodinjske žarnice 60 vatov 220 voltov je vsota uporov merjena ločeno: 72,0 + 65,2 = 137,2 ohma.

Vendar pa naprava z zaporednim merjenjem upora "zniža" odčitek na 136,8 ohma!

Podobno sliko opazimo pri žarnicah venca:

Izhod. Izračunska formula prikazuje ZMANJŠANJO vrednost upora "hladne" tuljave.

Meritev s testerjem pokaže PREKRASNO upornost "hladne" tuljave.

Pojavi se naravna misel - Kako strašno je živeti !!! Komu verjeti?

Poskusimo razumeti to vprašanje ...

Moč sevanja glede na okoliško ozadje

Ocenimo moč sevanja svetilke, ki ustreza temperaturi okolja.

Znano je, da je Stefan-Boltzmannova konstanta σ = 5,670373 · 10 -8, potem je moč sevanja na kvadratni meter

P = σ ST 4

Kot poljubno ocenjeno vrednost bomo vzeli premer spirale 40 mikronov in dolžino 50 cm Temperatura normalnih pogojev je 293K (20C). Če te podatke nadomestimo v Stefan-Boltzmannovo formulo, dobimo moč sevanja pri temperaturi 0,026258 vatov.

Za zanimanje izračunajmo moč pri različnih temperaturah okolja:

Minus 40 (233K) 0,0105 vatov

Minus 20 (253K) 0,0146 W

Nič (273K) 0,0198 W

Plus 20 (293K) 0,026258 W (normalni pogoji)

Plus 40 (313K) 0,0342 W

Za zanimivost lahko podate izračun sevanja svetilke, ko je temperatura okolice 2300K:

P = 99,7 vatov.

Na splošno se to dobro ujema z dejanskim stanjem - svetilka, zasnovana za 100 vatov, segreje do temperature 2300K.

Z visoko stopnjo zaupanja lahko rečemo, da ta spiralna geometrija ustreza "stovatni" žarnici, zasnovani za 220 voltov.

In zdaj preračunajmo te vrednosti moči na "zmanjšano" napetost. Kot da je bila temperatura okolice absolutna nič, na žarnico pa je bila uporabljena nekaj napetosti, ki segreva tuljavo.

Za preračun uporabimo dobljeno razmerje, da napetosti in moči ustrezajo stopinjam "tri" in "dve".

tempera, K	napetost, V
233	0,489665457
253	0,609918399
273	0,747109176
293	0,902119352
313	1,075809178

Tabela kaže, da "trenutna" moč žarnice pri napetosti 0,902 ... Volt segreje tuljavo na temperaturo 293K. Prav tako bo "trenutna" moč pri 1,0758 voltov segrela tuljavo na 313K (20 stopinj višje).

Še enkrat ponavljam, pod pogojem, da je temperatura okolice enaka absolutni ničli.

Izhod... Zelo majhna sprememba napetosti pomembno vpliva na temperaturo žarilne nitke. Napetost se je spremenila za kakih sedemnajst stotink volta (1,0758 - 0,902 = 0,1738) in temperatura se je povečala za 20 stopinj.

Ti izračuni so zelo poljubni, vendar jih je mogoče uporabiti kot OCENA vrednosti.

Ocena je seveda zelo groba, saj Stefan-Boltzmannov zakon opisuje sevanje "idealnega" oddajnika - absolutno črnega telesa (BBB), spirala pa se zelo razlikuje od BBT, vendar smo kljub temu dobili zelo verodostojno "figura" ...

Iz Excelove plošče je razvidno, da bo že pri napetosti 1 volta na žarnici temperatura spirale 40 stopinj Celzija. Če bomo prijavili več, jih bo več.

Naravni zaključek se kaže, da bo pri napetosti 10-15 voltov nit precej vroča, čeprav vizualno ne bo vidna.

Na oko bo nit videti "ČRNA" (hladna) do temperatur 600 stopinj (začetek sevanja v vidnem območju).

Tisti, ki želijo "voziti številke", lahko to storijo sami z uporabo Stefan-Boltzmannove formule.

Rezultati bodo pogojni glede na dejstvo, da ima (kot je omenjeno zgoraj) spirala nekaj albeda in ne ustreza oddajniku črnega telesa, VENDAR (!) Ocena temperature bo precej zanesljiva ...

Ponavljam - to je OCENA. Navoj začne žareti pri približno 20 voltih.

Poleg tega vas želim opozoriti na razširjenost parametrov žarnic.

Na fotografiji s testerjem sem majhne žarnice (daisy-chain) izbral in umeril zelo natančno. Za različne merilne namene in eksperimente. Zato kažejo enak upor, ki se imenuje "metla na kroglo".

Izrazi za tokove so izenačeni. Male algebraične transformacije. In dobimo končno kvadratno enačbo za neznani Us.

Iz slike je razvidno, da je Us napetost na žarnici.

Od skrbnika spletnega dnevnika.

Ta članek sodeluje na natečaju za članke poletja 2018. Če povzamemo (okvirno) - junija 2018. Naročite se na prejemanje novih člankov in se pridružite skupini VK, vedno je več novic kot na blogu!

Pogosto se zgodi, da naprava, ki se uporablja v vsakdanjem življenju, ki je velikega pomena za vse človeštvo, na noben način ne spominja na svojega ustvarjalca. Toda v naših domovih je zasvetila zahvaljujoč prizadevanjem določenih ljudi. Njihova zasluga za človeštvo je neprecenljiva - naši domovi so napolnjeni s svetlobo in toplino. Spodnja zgodba vas bo seznanila s tem velikim izumom in imeni tistih, s katerimi je povezan.

Kar zadeva slednje, je mogoče omeniti dve imeni - Alexander Lodygin in Thomas Edison. Čeprav je bila zasluga ruskega znanstvenika zelo velika, dlan pripada ameriškemu izumitelju. Zato vam bomo na kratko povedali o Lodyginu in se podrobno zadržali na Edisonovih dosežkih. Z njihovimi imeni je povezana zgodovina žarnic. Edison naj bi vzel ogromno časa za izdelavo žarnic. Preden se je rodil dizajn, ki je znan vsem nam, je moral izvesti približno 2 tisoč poskusov.

Izum Aleksandra Lodygina

Zgodovina žarnic z žarilno nitko je zelo podobna zgodovini drugih izumov, izdelanih v Rusiji. Aleksander Lodygin, ruski znanstvenik, je uspel narediti premogovo palico zažareno v stekleni posodi, iz katere je bil evakuiran zrak. Zgodovina nastanka žarnice z žarilno nitko se začne leta 1872, ko mu je to uspelo. Alexander je leta 1874 prejel patent za električno žarnico z žarilno nitko. Malo kasneje je predlagal zamenjavo ogljikove palice z volframom. Volframov del se še vedno uporablja v žarnicah z žarilno nitko.

Zasluga Thomasa Edisona

Vendar pa je ameriški izumitelj uspel leta 1878 ustvariti trpežen, zanesljiv in poceni model. Poleg tega mu je uspelo vzpostaviti njegovo proizvodnjo. V njegovih prvih svetilkah so kot žarilne nitke uporabljali zogleljene ostružke iz japonskega bambusa. Volframove niti, ki so nam znane, so se pojavile veliko kasneje. Začeli so jih uporabljati na pobudo Lodygina, zgoraj omenjenega ruskega inženirja. Če ne bi bilo njega, kdo ve, kako bi se zgodovina žarnic z žarilno nitko razvijala v prihodnjih letih.

Edisonova ameriška miselnost

Bistveno drugačen od ruskega. Ameriškemu državljanu Thomasu Edisonu je vse v redu. Zanimivo je, da je ta znanstvenik med premišljevanjem, kako narediti telegrafski trak močnejši, izumil papirno depilacijo. Ta papir je bil nato uporabljen kot ovoj za sladkarije. Pred Edisonovim izumom je bilo sedem stoletij zahodne zgodovine in ne toliko razvoja tehnične misli, kot postopoma razvijajočega se aktivnega odnosa do življenja ljudi. Mnogi nadarjeni znanstveniki so trmasto sledili temu izumu. Zgodovina nastanka žarnice je povezana zlasti z imenom Faraday. Ustvaril je temeljna dela o fiziki, brez katerih podpore Edisonov izum skorajda ne bi bil izvedljiv.

Drugi izumi Edisona

Thomas Edison se je rodil leta 1847 v Port Heronu, majhnem ameriškem mestu. Dejstvo, da je mladi izumitelj lahko takoj našel investitorje za svoje ideje, tudi najbolj drzne, je igralo vlogo pri Thomasovi samouresničitvi. In bili so pripravljeni tvegati velike vsote denarja. Edison se je na primer kot najstnik odločil natisniti časopis na vlaku, ko je na poti, in ga nato prodati potnikom. In novice za časopis bi morali zbirati kar na avtobusnih postajah. Takoj so se pojavili ljudje, ki so posodili denar za nakup majhne tiskarne, pa tudi tisti, ki so Edisona s to stiskalnico spustili v prtljago.

Izume pred Thomasom Edisonom so izdelali bodisi znanstveniki in so bili stranski produkt njihovih odkritij, bodisi praktiki, ki so izpopolnili tisto, s čimer so morali delati. Edison je izumil postal ločen poklic. Imel je veliko idej in skoraj vsaka je bila kalček za naslednjo, ki je zahtevala nadaljnji razvoj. Thomas v svojem dolgem življenju ni skrbel za osebno udobje. Znano je, da je bil ob obisku Evrope, že v zenitu slave, razočaran nad lenobo in drskostjo evropskih izumiteljev.

Težko je bilo najti področje, na katerem Thomas ne bi naredil preboja. Ocenjuje se, da je ta znanstvenik letno naredil približno 40 velikih odkritij. Skupno je Edison prejel 1092 patentov.

Duh ameriškega kapitalizma je dvignil Thomasa Edisona. Pri 22 letih mu je uspelo obogateti, ko je za bostonsko borzo prišel do ponudbe. Vendar je bil najpomembnejši Edisonov izum prav ustvarjanje žarnice. Thomasu je z njeno pomočjo uspelo elektrificirati vso Ameriko, nato pa še ves svet.

Izgradnja elektrarne in prvi porabniki električne energije

Zgodovina svetilke se začne z izgradnjo majhne elektrarne. Znanstvenik ga je zgradil v svojem parku Menlo. Služila naj bi potrebam njegovega laboratorija. Vendar se je izkazalo, da je prejete energije več, kot je bilo potrebno. Potem je Edison začel prodajati presežek svojim sosedom kmetom. Malo je verjetno, da so ti ljudje spoznali, da so prvi plačani porabniki električne energije na svetu. Edison si nikoli ni želel postati podjetnik, a ko je nekaj potreboval za svoje delo, je v Menlo Parku odprl majhno proizvodnjo, ki se je nato povečala in šla po lastni poti razvoja.

Zgodovina sprememb naprave z žarilno nitko

Električna žarnica je svetlobni vir, pri katerem pride do pretvorbe v električno svetlobno energijo zaradi žarenja ognjevzdržnega prevodnika z električnim tokom. Svetlobna energija je bila najprej pridobljena na ta način s prehajanjem toka skozi ogljikovo palico. Ta palica je bila postavljena v posodo, iz katere je bil predhodno evakuiran zrak. Thomas Edison je leta 1879 ustvaril bolj ali manj trpežno strukturo z uporabo ogljikovih vlaken. Vendar pa obstaja precej dolga zgodovina žarnice z žarilno nitko v njeni sedanji obliki. Kot žareče telo v letih 1898-1908. poskušal uporabiti različne kovine (tantal, volfram, osmij). Cikcak volframova nitka se uporablja od leta 1909. Žarnice z žarilno nitko so se začele polniti v letih 1912-13. (kripton in argon) in dušik. Hkrati se je volframova nitka začela izdelovati v obliki spirale.

Zgodovino razvoja žarnice z žarilno nitko dodatno zaznamuje njeno izboljšanje z izboljšanjem svetlobne učinkovitosti. To je bilo storjeno s povečanjem telesne temperature sijaja. Hkrati se je ohranila življenjska doba svetilke. Polnjenje bučke z inertnimi visokomolekularnimi plini z dodatkom halogena je zmanjšalo kontaminacijo bučke z delci volframa, razpršenimi v njej. Poleg tega je zmanjšal hitrost njegovega izhlapevanja. Uporaba telesa z žarilno nitko v obliki bis-tuljave in tri-tuljave je privedla do zmanjšanja toplotnih izgub skozi plin.

To je zgodovina izuma žarnice z žarilno nitko. Zagotovo vas bo zanimalo, kakšne so njegove različne sorte.

Sodobne sorte žarnic z žarilno nitko

Številne vrste električnih svetilk so sestavljene iz določenih delov iste vrste. Razlikujejo se po obliki in velikosti. Na kovinsko ali stekleno palico v notranjosti žarnice je s pomočjo držal iz molibdenske žice pritrjeno telo žarilne nitke (to je spirala iz volframa). Konci spirale so pritrjeni na konce puš. Za vzpostavitev vakuumske povezave z rezilom iz stekla je srednji del puš narejen iz molibdena ali platine. Žarnica žarnice je med vakuumsko obdelavo napolnjena z inertnim plinom. Nato se steblo zavari in nastane izliv. Svetilka je opremljena s podstavkom za pritrditev v držalo in zaščito izliva. Na bučko je pritrjen z osnovnim mastikom.

Videz svetilk

Danes obstaja veliko žarnic z žarilno nitko, ki jih lahko razdelimo glede na področja uporabe (za avtomobilske žaromete, splošne namene itd.), Glede na svetlobne lastnosti njihove žarnice ali konstruktivno obliko (dekorativno, ogledalo, z razpršilno prevleko, itd.), pa tudi glede na obliko, ki jo ima žareče telo (z dvospiralo, z ravno spiralo itd.). Kar zadeva dimenzije, so velike, normalne, majhne, ​​miniaturne in subminiaturne. Na primer, slednje vključujejo svetilke z dolžino manj kot 10 mm, katerih premer ne presega 6 mm. Kar zadeva velike, vključujejo tiste, katerih dolžina je večja od 175 mm, premer pa je najmanj 80 mm.

Moč žarnice in življenjska doba

Sodobne žarnice z žarilno nitko lahko delujejo pri napetostih od delčka enote do nekaj sto voltov. Njihova zmogljivost je lahko desetine kilovatov. Če se napetost poveča za 1%, se bo svetlobni tok povečal za 4%. Vendar bo to skrajšalo življenjsko dobo za 15%. Če žarnico za kratek čas prižgete pri napetosti, ki presega 15 % nazivne napetosti, se poškoduje. Zato tako pogosto prenapetost povzroči pregorevanje žarnic. Njihova življenjska doba se giblje od pet ur do tisoč ali več. Na primer, žarometi za letala so zasnovani za kratek čas, transportni pa lahko delujejo zelo dolgo. V slednjem primeru jih je treba namestiti na mesta, ki omogočajo enostavno zamenjavo. Danes je svetlobna učinkovitost svetilk odvisna od napetosti, zasnove, trajanja gorenja in moči. To je približno 10-35 lm / W.

Žarnice z žarilno nitko danes

Žarnice z žarilno nitko so po svoji svetlobni učinkovitosti vsekakor slabše od svetlobnih virov, ki jih poganja plin (fluorescenčna sijalka). Vendar jih je lažje upravljati. Žarnice z žarilno nitko ne potrebujejo zapletenih nastavkov ali zaganjalnika. Zanje praktično ni omejitev glede moči in napetosti. Danes se v svetu vsako leto proizvede približno 10 milijard svetilk. In število njihovih sort presega 2 tisoč.

LED svetilka

Zgodovina nastanka svetilke je že napisana, medtem ko zgodovina razvoja tega izuma še ni končana. Pojavljajo se nove sorte, ki postajajo vse bolj priljubljene. Govorimo predvsem o LED svetilkah (ena od njih je prikazana na zgornji fotografiji). Znani so tudi kot energetsko učinkoviti. Te sijalke imajo več kot 10-krat večjo svetlobno učinkovitost kot žarnice z žarilno nitko. Vendar pa imajo pomanjkljivost - napajanje mora biti nizkonapetostno.

Žarnica z žarilno nitko je svetlobna naprava, umetni vir svetlobe. Ogrevana kovinska tuljava oddaja svetlobo, ko skozi njo teče električni tok.

Načelo delovanja

Žarnica z žarilno nitko uporablja učinek segrevanja prevodnika (nitke), ko skozenj teče električni tok. Temperatura volframove nitke se po vklopu toka močno dvigne. Žarnica oddaja elektromagnetno sevanje v skladu z zakonodajo Deska... Planckova funkcija ima svoj maksimum, katerega položaj na lestvici valovnih dolžin je odvisen od temperature. Ta maksimum se z naraščajočo temperaturo premakne proti krajšim valovnim dolžinam (zakon premika Krivda). Za pridobitev vidnega sevanja mora biti temperatura reda nekaj tisoč stopinj, idealno 6000 K (površinska temperatura sonce). Nižja kot je temperatura, manjši je delež vidne svetlobe in bolj »rdeče« je sevanje.

Žarnica z žarilno nitko pretvori del porabljene električne energije v sevanje, del pa zapusti zaradi procesov toplotne prevodnosti in konvekcije. Le majhen del sevanja leži v območju vidne svetlobe, glavni delež je infrardeče sevanje. Za povečanje učinkovitosti žarnice in doseganje največje "bele" svetlobe je treba povečati temperaturo žarilne nitke, ki je omejena z lastnostmi materiala z žarilno nitko - temperaturo taljenja. Idealna temperatura 6000 K je nedosegljiva, saj se pri tej temperaturi vsak material topi, sesede in preneha prevajati električni tok. V sodobnih žarnicah z žarilno nitko se uporabljajo materiali z najvišjimi tališči - volfram (3410 ° C) in zelo redko osmij (3045 ° C).

Pri praktično dosegljivih temperaturah 2300-2900 ° C se oddaja daleč od bele in ne dnevne svetlobe. Zaradi tega žarnice z žarilno nitko oddajajo svetlobo, ki je bolj "rumeno-rdeča" kot dnevna. Za karakterizacijo kakovosti svetlobe se uporablja t.i. Barvna temperatura.

V normalnem zraku pri teh temperaturah bi se volfram takoj spremenil v oksid. Zaradi tega je volframova žarilna nitka zaščitena s stekleno žarnico, napolnjeno z nevtralnim plinom (običajno argonom). Prve žarnice so bile izdelane z evakuiranimi žarnicami. Vendar v vakuumu pri visokih temperaturah volfram hitro izhlapi, zaradi česar je filament tanjši in steklena žarnica potemni, ko se nanese nanjo. Kasneje so bučke napolnili s kemično nevtralnimi plini. Vakuumske bučke se zdaj uporabljajo samo za svetilke z nizko močjo.

Oblikovanje

Žarnica z žarilno nitko je sestavljena iz osnove, kontaktnih vodnikov, žarilne nitke, varovalke in steklene žarnice, ki ščiti žarilno nitko pred okoljem.

Bučka

Steklena žarnica ščiti žarilno nitko pred zgorevanjem v zunanjem zraku. Mere bučke so določene s hitrostjo odlaganja filamentnega materiala. Večje sijalke zahtevajo večje žarnice, tako da se odloženi material z žarilno nitko razprostira na velikem območju in nima močnega vpliva na preglednost.

Puferski plin

Bučke prvih svetilk so bile evakuirane. Sodobne sijalke so napolnjene z puferskim plinom (razen sijalk z nizko močjo, ki so še vedno vakuumske). To zmanjša hitrost izhlapevanja materiala filamenta. Toplotne izgube, ki v tem primeru nastanejo zaradi toplotne prevodnosti, se zmanjšajo z izbiro plina s čim težjimi molekulami. Mešanice dušika in argona so sprejemljiv kompromis v smislu prihranka stroškov. Dražje sijalke vsebujejo kripton ali ksenon (atomske mase: dušik: 28,0134 g/mol; argon: 39,948 g/mol; kripton: 83,798 g/mol; ksenon: 131,293 g/mol)

Filament

Žarnica v prvih žarnicah je bila narejena iz premoga (sublimacijska točka 3559 ° C). V sodobnih žarnicah se skoraj izključno uporabljajo spirale iz zlitine osmija in volframa. Žica je pogosto v obliki dvojne vijačnice, da bi zmanjšali konvekcijo z zmanjšanjem Langmuirjevega sloja.

Svetilke so izdelane za različne delovne napetosti. Moč toka se določi po Ohmovem zakonu (I = U / R), moč pa po formuli P = U \ cdot I ali P = U2 / R. Pri moči 60 W in delovni napetosti 230 V , skozi žarnico mora teči tok 0,26 A, to pomeni, da mora biti upor žarilne nitke 882 ohmov. Ker imajo kovine nizko upornost, je za dosego te upornosti potrebna dolga in tanka žica. Debelina žice v običajnih žarnicah je 40-50 mikronov.

Ker je žarilna nitka ob vklopu pri sobni temperaturi, je njena upornost veliko manjša od delovne upornosti. Zato ob vklopu teče zelo velik tok (dva do trikrat večji od delovnega). Ko se nit segreje, se njen upor poveča in tok se zmanjša. Za razliko od sodobnih svetilk so zgodnje žarnice z ogljikovo nitko, ko so bile vklopljene, delovale po nasprotnem principu - pri segrevanju se je njihov upor zmanjšal, sijaj pa se je počasi povečal.

Bimetalno stikalo je vgrajeno v utripajoče luči zaporedno z žarilno nitko. Zaradi tega takšne svetilke delujejo neodvisno v utripajočem načinu.

Podstavek

Predlagana je oblika podnožja z navojem običajne žarnice z žarilno nitko Thomas Alva Edison... Velikosti podstavkov so standardizirane.

Varovalka

Varovalka (kos tanke žice) se nahaja na dnu žarnice, ki je zasnovana tako, da prepreči nastanek električnega obloka, ko žarnica izgori. Za gospodinjske svetilke z nazivno napetostjo 220 V so takšne varovalke običajno ocenjene na tok 7 A.

Učinkovitost in vzdržljivost

Skoraj vsa energija, dobavljena v svetilko, se pretvori v sevanje. Izgube zaradi toplotne prevodnosti in konvekcije so majhne. Človeškemu očesu pa je na voljo le majhen razpon valovnih dolžin tega sevanja. Večina sevanja leži v nevidnem infrardečem območju in se dojema kot toplota. Učinkovitost žarnic z žarilno nitko doseže največjo vrednost 15% pri temperaturi okoli 3400 K. Pri praktično dosegljivih temperaturah 2700 K je izkoristek 5%.

Z naraščajočo temperaturo se učinkovitost žarnice z žarilno nitko poveča, vendar se njena trajnost znatno zmanjša. Pri temperaturi žarilne nitke 2700 K je življenjska doba žarnice približno 1000 ur, pri 3400 K pa le nekaj ur. Ko se napetost poveča za 20%, se svetlost podvoji. Hkrati se življenjska doba skrajša za 95%.

Zmanjšanje napetosti za polovico (na primer s serijsko povezavo), čeprav zmanjša učinkovitost, vendar poveča življenjsko dobo za skoraj tisočkrat. Ta učinek se pogosto uporablja, ko je treba zagotoviti zanesljivo razsvetljavo v pripravljenosti brez posebnih zahtev glede svetlosti, na primer na stopniščih.

Omejena življenjska doba žarnice z žarilno nitko je v manjši meri posledica izhlapevanja materiala z žarilno nitko med delovanjem, v večji meri pa nehomogenosti, ki nastanejo v žarilni nitki. Neenakomerno izhlapevanje materiala z žarilno nitko povzroči nastanek stanjšanih površin s povečanim električnim uporom, kar posledično vodi do še večjega segrevanja in izhlapevanja materiala na takih mestih. Ko ena od teh zožitev postane tako tanka, da se material z žarilno nitko na tej točki stopi ali popolnoma izhlapi, se tok prekine in žarnica odpove.

Halogenske žarnice

Dodatek halogenov broma ali joda pufrskemu plinu podaljša življenjsko dobo žarnice na 2000-4000 ur. Hkrati je delovna temperatura približno 3000 K. Učinkovitost halogenskih žarnic doseže 28 lm / W.

Jod (skupaj s preostalim kisikom) vstopi v kemično spojino z izhlapenimi atomi volframa. Ta proces je reverzibilen – pri visokih temperaturah se spojina razgradi na sestavne snovi. Atomi volframa se na ta način sproščajo na sami spirali ali v njeni bližini.

Dodatek halogenov preprečuje odlaganje volframa na steklo, če je temperatura stekla nad 250 °C. Zaradi odsotnosti črnitve žarnice je mogoče halogenske sijalke izdelati v zelo kompaktni obliki. Majhna prostornina bučke omogoča po eni strani uporabo višjega delovnega tlaka (kar spet vodi do zmanjšanja hitrosti izhlapevanja filamenta), po drugi strani pa brez bistvenega povečanja stroškov. napolnite bučko s težkimi inertnimi plini, kar vodi do zmanjšanja izgub energije zaradi toplotne prevodnosti. Vse to podaljša življenjsko dobo halogenskih žarnic in poveča njihovo učinkovitost.

Zaradi visoke temperature žarnice bo morebitna površinska kontaminacija (npr. prstni odtisi) med delovanjem hitro izgorela, zaradi česar bo počrnila. To vodi do lokalnega zvišanja temperature bučke, kar lahko povzroči njeno uničenje. Tudi zaradi visoke temperature so bučke izdelane iz kremena.

Nova smer v razvoju svetilk je t.i. IRC halogenske sijalke (IRC pomeni infrardeči premaz). Na žarnice takšnih svetilk je nanešen poseben premaz, ki omogoča prehod vidne svetlobe, a zadrži infrardeče (toplotno) sevanje in ga odbija nazaj v spiralo. To zmanjša izgubo toplote in posledično poveča učinkovitost svetilke. Po podatkih OSRAM-a se poraba energije zmanjša za 45 %, življenjska doba pa se podvoji (v primerjavi s klasično halogensko žarnico).

Čeprav IRC halogenske sijalke ne dosegajo učinkovitosti fluorescenčnih sijalk, je njihova prednost v tem, da se lahko uporabljajo kot neposredna zamenjava za običajne halogenske sijalke.

Posebne svetilke

Projekcijske svetilke - za filmske in filmske projektorje. Imeti zvišano temperaturo žarilne nitke (in s tem povečano svetlost in skrajšano življenjsko dobo); običajno je nit nameščena tako, da žareče območje tvori pravokotnik.

Žarnice z dvojno žarilno nitko za avtomobilske žaromete. Ena nit za dolge luči, druga za kratke luči. Poleg tega takšne svetilke vsebujejo zaslon, ki v načinu kratkih luči odreže žarke, ki bi lahko zaslepili nasproti vozeče voznike.

Zgodovina izuma

Leta 1854 nemški izumitelj Heinrich Goebel razvil prvo "sodobno" žarnico: ogljen bambusov filament v evakuiranem plovilu. V naslednjih 5 letih je razvil tisto, kar mnogi imenujejo prva praktična žarnica.

11. julija 1874 ruski inženir Aleksander Nikolajevič Lodygin prejel patent s številko 1619 za žarnico z žarilno nitko. Kot filament je uporabil ogljikovo palico, nameščeno v evakuirano posodo.

angleški izumitelj Joseph Wilson Swann leta 1878 prejel britanski patent za žarnico z ogljikovo nitko. V njegovih svetilkah je bila žarilna nitka v ozračju redkega kisika, kar je omogočilo pridobivanje zelo močne svetlobe.

V drugi polovici 1870-ih je ameriški izumitelj Thomas Edison opravlja raziskovalno delo, pri katerem preizkuša različne kovine kot nit. Na koncu se vrne k ogljikovim vlaknom in ustvari žarnico z življenjsko dobo 40 ur. Kljub tako kratki življenjski dobi njegove žarnice nadomeščajo do takrat uporabljeno plinsko razsvetljavo.

V 1890-ih je Lodygin izumil več vrst svetilk s kovinskimi nitkami.

Leta 1906 je Lodygin prodal patent za volframovo nitko družbi General Electric. Zaradi visoke cene volframa ima patent le omejeno uporabo.

Leta 1910 g. William David Coolidge izumlja izboljšano metodo za proizvodnjo volframovih filamentov. Nato volframova nitka izpodrine vse druge vrste filamentov.

Preostali problem s hitrim izhlapevanjem filamenta v vakuumu je rešil ameriški znanstvenik Irving Langmuir, ki je v podjetju delal od leta 1909 General Electric, je prišel na idejo o polnjenju žarnic sijalke z inertnim plinom, kar je znatno podaljšalo življenjsko dobo žarnice.