Почему спираль лампы накаливания изготавливают из вольфрама?

Изобретение лампы накаливания имеет богатую историю. Занимались искусственным источником света ученые из различных стан и континентов. Российскому электротехнику Лодыгину в 1874 году выдали патент за изобретение лампы с Ломоносовской премией.

Всю свою жизнь ученый работал над усовершенствованием своего изобретения. Вначале в качестве накала служил угольный стержень, в 1890 году Лодыгин получил патент на применение тугоплавких металлов, включая вольфрамовую спираль.

Ученый из США Эдисон придумал цоколь, патрон и поставил на промышленный поток изготовление ламп. ЛН с вольфрамовым телом накала и сейчас активно применяют в различных сферах жизнедеятельности человека.

Что это за металл?

Периодическая система Менделеева в своем составе содержит химический элемент с атомным № 74. Это вольфрам, который выглядит твердым блестящим серебристо-серым веществом, принадлежит к категории тяжелых металлов, обладает высоким уровнем плотности с температурой плавления. Цвет элемента зависит основного минерала-носителя вольфрамита (Fe Mn)WO₄.

В смесь входит коричневый ферберит Fe WO₄ и светлый гюбренит MnWO₄. От процентного содержания марганца с железом зависит цвет вольфрамита, из которого получают путем химических процессов вольфрам. Вольфрамит стал известен, когда выплавляли олово из руды, образовывалась пена.

Это образование называли Wolf Rahm, которое повлияло на название металла. Вольфрам получают не восстановлением из сырья, а переработкой химических соединений. Вначале из руды осуществляют выделение необходимого элемента, в ходе рабочих процессов происходит:

• концентрация вещества в качестве осадка;
• очистка;
• получение чистого химического соединения;
• выведение металла вольфрам;
• руду обогащают гравитацией, флотацией для получения концентрата с содержанием 60% вольфрама;
• при создании вольфрамового порошка, проводят обработку вещества водородом или углеродом, из которого производят твердые сплавы.

К примеру, в вольфрамовых нитях:

Свойства и характеристики

Ценным металлом для промышленности вольфрам стал благодаря характеристикам и свойствам.

Тугоплавкий металл наделен разными металлическими свойствами, высокими показателями:

• твердостью – по Моосу 7.5;
• модулем на растяжение и сжатие;
• сопротивлением к температурным изменениям;
• электро и теплопроводностью – 153 Вт/(м. К);
• плотностью – 19, 25г/см³ в нормальных условиях;
• температурой плавления – 3422^оС;
• упругостью;
• коррозийной стойкостью;
• износостойкостью.

По какой причине используют для нитей вольфрам?

Тугоплавкий вольфрам обладает высокой температурой плавления +3422^оС. Неметаллы (угольный стержень) тоже имеют значительный параметр, но хуже проводят электричество. Классическое исполнение вольфрамовой нити происходит из тонкой проволоки.

Спираль крепят на металлические ножки, соединяют с токопроводящими электродами. Нить в виде проводника изогнутого в спираль, быстро нагревается, начинает мгновенно излучать свет, который распространяется в пространстве.

Тугоплавкость металла, характеристики и свойства, предохраняет тонкую спиралевидную нить от разрушений, не дают лампе быстро перегореть. Тонкую проволоку толщиной примерно 45 микрон перекручивают в спираль, чтобы увеличить длину, сопротивление, срок службы для эксплуатации изделия под воздействием высоких температур.

Процесс производства

Проволоку производят из очищенного вольфрамового порошка. Берут смесь, увеличивают качество металла. Смешивают порошок в специальной мельнице, чтобы металл не окислялся от трений, обрабатывают потоком азота. После чего вещество поступает в стальную пресс форму, где используют гидравлическое или пневматическое прессование.

Если порошок плохо очищен от загрязнений, изделие получится хрупким. Эффективность, прочность обеспечивают добавками органических связующих элементов. Вначале изготавливают штабики, которые подвергают спеканию, их под высокой температурой нагревают, затем охлаждают потоком водорода, чем улучшают механические свойства вещества. Изделия в ходе производства:

• фиксируют между контактами;
• обрабатывают холодной водой;
• создают атмосферу с сухим водородом;
• пропускают ток;
• увеличивают температуру до плавления.

Процесс обработки обеспечивает вольфраму высокую плотность, параметр становится выше кристаллического состояния на 95%. Следующим этапом штабик подвергают ковке при температуре +1300^оС. В специальном оборудовании имеется камера, куда поступает материал, где произойдет сдавливание под силой молота до уменьшения диаметра на 10%.

В ходе процесса происходит удлинение кристаллов вольфрама, создается вытянутая нитевидная структура. Из этого материала выполняют протяжку проволоки через специальные алмазные сита.

После прокатки вольфрамовый пруток прокаливают в вакууме, чтобы достигнуть эластичности и сформировать геометрию нити по форме, длине и диаметру. Вольфрам нагревают до температуры плавления, вытягивают на специальном устройстве до нужных размеров и толщины. Вытянутую проволоку:

• подвергают обработке;
• чистят от окислов;
• наносят защитное покрытие;
• обеспечивают стойкость перед коррозией.

Характеристики

Эксплуатационные и качественные характеристики нитей накаливания для источников света зависят от материала изготовления, технологий производства, которые использует производитель вольфрамовых спиралей. Существуют стандартные параметры:

Предельная температура нагрева

Лампы накаливания с вольфрамовой нитью обладают рабочей температурой до 3000 К.

Такая ЛН светит в сложных условиях, перегревание или переохлаждение не оказывает влияния на срок службы.

Когда нить накаливания нагревается до 2500^оС, поверхность колбы ЛН мощностью 75 Вт будет достигать +240^оС, а источник света 100 Вт нагреет поверхность стекла до +280^оС.

Если накрыть лампу тканью, она через короткое время загорится. Чтобы предотвратить риск возгорания, не допускают нагревания материалов рядом с источником света, используют термостойкую арматуру. Принцип работы ЛН предоставляет информацию о прохождении тока через тугоплавкую вольфрамовую нить, который разогревает проводник до высоких температур в зависимости от напряжения в электросети.

По законам физики у разогретого проводника возникают способности к генерации электромагнитных волн. Высокая температура снижает длину волн в момент излучения. Видимый спектр появляется при нагревании вольфрамовой нити по Кельвину свыше 1000^о. К примеру, когда спираль ЛН нагревается до 4000 К, она светит тем светом, что и солнечные лучи.

При снижении температуры, свет меняется от желтого до красного. В ЛН только незначительная часть образует световой поток, в основном энергия преобразуется в тепло. Зрение человека воспринимает определенные световые волны.

Для увеличения освещенности комнаты повышают температурный нагрев нити накала. Такая возможность возникает до определенных показателей, которые ограничивают свойства проводника тока.

Сопротивление при прохождении электрического тока

Является важной характеристикой. Тугоплавкий металл обладает электрическим сопротивлением, которое обеспечивает низкую температурную зависимость, стабильность работы в широком температурном диапазоне. Производители рассчитывают сопротивление при производстве нагревательных приборов.

Параметр узнают для оценки эффективности различных устройств, чтобы с помощью регулирования сопротивления нити накала, осуществлять контроль над нагреваемой средой, обеспечить нормальные условия для осветительного прибора.

Показатель характеристики определяют по физическим свойствам, которые зависят от качества материала изготовления, параметров длины, толщины и температурных режимов работы. У длинной и тонкой нити будет высоким сопротивление в благоприятной окружающей среде. От среды, где будет находиться источник света, зависит, насколько сильно нагреется спираль и ярко осуществит освещение помещения. Рассчитать сопротивление можно по формуле:

• S – сопротивление тела накала;
• s – сопротивление металла;
• C – длина проводника;
• P – площадь сечения проволоки.

По данным, рассчитанным по формуле, контролируют работу источника света.

Срок службы

Лампы накаливания перегорают по причине износа вольфрамового тела накала. Когда спираль нагревают до температуры плавления, получают поток света большой интенсивности.

При температуре +3300^оС, начинается интенсивное колебание атомов вольфрама в кристаллической решетке, часть из них отрывается, оседает на колбе. Со временем процесс освещения спираль истончает, когда температура переступает параметр плавления, в тонком месте происходит перегорание тела накала.

Повысить срок службы способна толстая спираль, чтобы сохранить сопротивление придется увеличить длину проволоки, площади и толщины стеклянной колбы.

Увеличение массы тугоплавкого металла требует больших расходов, так как вольфрам дорогостоящий материал. По соображениям экономии не выгодно расходовать много вольфрама и стекла на производство ЛН. Изготовление вечных ламп тоже не входят в планы производителей. Стандартный срок службы обычной ЛОН равен 1000 часов.

Плюсы и минусы

Использование вольфрама в качестве нитей накала имеют свои положительные и отрицательные признаки.

Плюсы:

• широкое применение тела накала во всех видах источников света;
• сочетание высокой температуры плавления с механической прочностью;
• быстрое включение и отключение лампы, яркое освещение помещения;
• отсутствие световых мерцаний, положительно влияет на восприятие глазами освещения;
• высокий уровень цветопередачи.

Минусы:

• быстро перегорает;
• много потребляет электроэнергии;
• нить чувствительна к перепадам напряжения в сети;
• сложный технологический процесс производства.

Сравнение разных материалов

Металл высокой плотности вольфрам широко применяют для нитей накала в лампах накаливания, температура плавления наделяет вольфрамовую нить сильным свечением. Прочность и устойчивость материала к окислению, на длительный период сохраняет свойство стойкого светоизлучения. Кроме вольфрама в ЛН применяют в качестве нитей накаливания и другие металлы:

1. Молибден из таблицы Менделеева под атомным № 42 используют для тела накала из-за обладания уникальными свойствами. Пластичность, стойкость перед высокими температурами позволяют использовать в качестве проводника электричества. Нить накала из молибдена долго служит при высоких нагрузках, не плавится, равномерно распределяет тепло, исключая перегрев.
2. Платина является драгоценным металлом. Элемент известен стойкостью к высоким температурным режимам, является отличным проводником электричества. Долгий срок эксплуатации обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики.
3. Никель применяют при изготовлении нитей накала в ЛН. Материал обладает электропроводностью, термостабильностью, обеспечивает распределение равномерного света.
4. Кадмий в качестве нитей накала наделяет ЛН особыми свойствами. Проволока внутри лампы имеет низкую плотность, отличную электропроводность, выдерживает высокую температуру. Химическая стабильность дополняет свойства по продлению срока службы при продуктивном освещении.
5. Родий из разряда платиновых металлов, обладает устойчивостью перед окислением и коррозией. Высокая температура плавления наделяет нить накала долгим сроком службы и ярким освещением.
6. Рутений обладатель высокой плотности, электропроводимости, стойкости перед коррозийными разрушениями. Применение в качестве нитей накала обусловлено для источников света в особых случаях.

Каждый из материалов, которые применяют в производстве нитей накала, обладает высокой термической стабильностью, низким сопротивлением, способностью распространять световые потоки эффективно и равномерно. Важно чтобы при высоком нагревании нити, тело накала не перегорело, продолжало светить долго, продуктивно, без мерцаний.

Высокими качественными характеристиками наделен вольфрам, который не тает от включения источника света, создает электропроводность, тело накала от нагрузок работает, не перегорает. Другие материалы уступают вольфраму по термостойкости, теплопроводности, эффективности освещения.

Полезное видео

Занимательное видео по теме статьи:

Заключение

Причиной широкого использования в лампах накаливания вольфрамовых нитей накала, служит прочность проводника с высокой температурой плавления, кипения, всего спектра эксплуатационных характеристик.

Развитие технологий продолжается, возможно, современники увидят более эффективный материал в качестве нити накала, характеристики которого удовлетворят потребителей в полном размере по совокупным свойствам, это яркость света, долгий срок службы, экономный расход энергоресурсов.