- Нить накала из вольфрама
- Задача №39. Определение температуры нити накаливания электрической лампы
- Температура накала нити вольфрама от напряжения
- Вход | Регистрация
- ПОИСК Введите условия поиска
- Лампа накаливания
- Принцип действия
- Конструкция
- Колба
- Буферный газ
- Нить накала
- Цоколь
- Предохранитель
- КПД и долговечность
- Галогенные лампы
Нить накала из вольфрама
Почему у ламп перегорают нити накала или, выражаясь менее точно, но зато более кратко, почему перегорают лампы? Вы купили лампу, электронную или осветительную; она исправно работает некоторое время, но в конце концов перегорает, хотя условия ее работы не изменялись — tf ней всегда подводится одно и то же, нормальное для нее напряжение накала. В чем заключается «физика» этого перегорания, почему один и тот же ток, нормальный вначале, впоследствии оказывается для нити губительным?
Рассматривая перегоревшую осветительную лампу, мы замечаем, что ее баллон изнутри потемнел. Появление темного налета объясняется оседанием на стенках баллона паров вольфрама, из которого сделана нить. Нити накала осветительных ламп работают при температуре порядка 2 500°С. При такой температуре начинается заметное испарение вольфрама. Процесс перегорания нити бывает обычно таков: толщина нити по всей ее длине не абсолютно одинакова, местами она несколько толще, местами тоньше. Там, где нить тоньше, ее сопротивление естественно больше, вследствие чего это место нагревается сильнее (нагрев пропорционален величине сопротивления). А раз температура нити больше, то и ее испарение в этом месте происходит интенсивнее, отчего нить еще более утончается.
В итоге получается» своеобразная «обратная связь»: увеличение испарения влечет за собой ускоренное утончение нити, а это в свою очередь приводит к возрастанию- испарения.
Процесс этот завершается перегоранием — расплавлением—нити в том месте, которое было наиболее тонким. Получается точно по пословице: где тонко, там и рвется. Естественно, что кроме толщины нити, играют роль и условия ее охлаждения. Например, нити редко перегорают около держателей, способствующих отводу тепла. Если нить перегорит около держателя, то это означает, что ее толщина в этом месте была много меньше, чем на остальной длине.
Процесс испарения материала нити у электронных ламп менее заметен, чем у осветительных, потому что нити накала электронных ламп работают при меньших температурах. Но сам «механизм» перегорания у них такой же: наиболее интенсивное испарение металла нити происходит там, где она особенно тонка. Лампы прямого накала чаще перегорают, чем подогревные, потому что нити накала батарейных ламп вообще тоньше и, кроме того, условия их охлаждения значительно хуже. Соприкосновение нити накала подогревных ламп с фарфором или сделанным из другого материала изолятором, отделяющим нить накала от катода, способствует хорошему охлаждению.
Совершенно очевидно, что даже небольшой перекал весьма укорачивает продолжительность жизни нити накала — процесс угончения тонких мест при перекале происходит с увеличенной интенсивностью. Для иллюстрации стоит привести одну цифру: увеличение испарения вольфрама при повышении его температуры пропорционально 38-й степени температуры, т. е. пропорционально Г38.
Нет ли в заголовке ошибки? Совершенно очевидно, что перегрев может явиться следствием перекала, но каким образом он может возникнуть из-за недокала? Тут естественно ожидать не перегрева, а недогрева.
Но тем не менее в заголовке ошибки нет. Стремясь сберечь лампы, радиолюбители часто недокаливают их, а это приводит к вредному перегреву, и лампа выходит из строя. Объясняется это следующим.
В настоящее время все радиоприемные лампы имеют активированные катоды, покрытые слоем окислов бария и стронция. Активирующие вещества позволяют получать достаточную электронную эмиссию при низкой температуре — всего 750—800°С. При такой температуре испарение вольфрама практически очень мало и срок службы ламп определяется обычно не перегоранием нити, а испарением или разрушением активного оксидного слоя.
Именно в этом отношении и опасен недокал ламп. Для оксидного слоя большую опасность представляет возникновение на его поверхности очагов перегрева — более сильного нагрева отдельных точек поверхности по сравнению с соседними, а такие очаги возникают при недокале.
Анодный ток лампы проходит сквозь оксидный слой. Если катод нелокален, то сопротивление оксидного слоя сильно возрастает. Особенно велико сопротивление в тех местах, где в оксидном слое имеются утолщения. Проходя сквозь эти места, анодный ток вызывает их сильный нагрев (чем больше сопротивление, тем больше
тепла выделяется на нем при данном токе), а это в свою очередь приводит к увеличению их эмиссии, вследствие чего анодный ток еще более возрастает. В результате температура таких участков оксидного слоя достигает точки испарения оксида.
Процесс носит такой характер в тех случаях, когда уменьшение накала не сопровождается соответствующим уменьшением анодного напряжения. Высокое анодное напряжение способствует увеличению анодного тока. Поэтому понижение напряжения накала ламп всегда должно сопровождаться соответствующим снижением величины анодного напряжения и, следовательно, анодного тока.
Подобного рода саморазогрев оксидного катода может в иных случаях привести к тому, что лампа будет продолжать работать и при выключенном токе накала. Если анодный ток достаточно велик, то после выключения накала оксидный слой будет разогреваться проходящим через !него анодным током и эмиссия катода не прекратится. Так, с выключенным накалом иногда могут — работать, например, кенотроны. Но работа лампы в таких условиях бывает неустойчива: обычно либо анодный ток возрастает настолько, что оксидный слой испаряется, либо ток начинает уменьшаться, катод охлаждается и эмиссия прекращается.
Особенно стремительное развитие электрического освещения начинается после освоения технологии изготовления вольфрамовых нитей. Способ применения вольфрама (или молибдена) для тела накала впервые дал А. Н. Лодыгин.
В 1911 г. американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория — оксидный катод — и получил вольфрамовую проволоку.
. нитью нельзя достигнуть яркого накала и невозможно избавиться от потемнения ламповой колбы из-за испарения угольной нити. Лодыгин предложил заменить угольную нить в лампочке металлической нитью из молибдена или вольфрама.
В современных лампах накаливания свет дает также раскаленное твердое вещество (вольфрамовая нить накаливания), но здесь свет излучается не благодаря освобождающейся в результате окислительного процесса химической энергии, а за.
Новое развитие она получила в конце XIX— начале XX в., когда был разработан способ изготовления нитей накала из металлического порошка вольфрама для осветительных ламп.
Дело в том, что принцип излучения света светодиодом коренным образом, физически, так сказать, отличается от процесса испускания света раскалённой вольфрамовой нитью обычной лампы накаливания.
Источник
Задача №39. Определение температуры нити накаливания электрической лампы
Известно, что ток, проходящий через электрическую лампу в момент включения, в двенадцать раз превышает рабочий ток. Температура лампы до включения 25 градусов Цельсия. Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 5,1×10 -3 град -1
Необходимо определить температуру вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем состоянии.
Решение
Применив закон Ома, запишем формулы для тока включения I1 и рабочего тока I2 
, а 
,
где U – напряжение на лампе; R1 и R2 — сопротивление нити накаливания лампы, соответственно при температурах t ° 1 и t ° 2.
Находим отношение данных токов:
Для определения R1 и R2 воспользуемся следующей формулой:
, тогда 
, 
, 
.
Так как 
, то 
.
Получаем формулу для определения рабочей температуры нити накаливания лампы
Ответ: в рассматриваемом примере температура вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем режиме равна 2157 градусов Цельсия.
Источник
Температура накала нити вольфрама от напряжения
 |  |
Вход | РегистрацияПОИСК Введите условия поискаЛампа накаливания
Принцип действияВ лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение. Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C). При практически достижимых температурах излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура. В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности. КонструкцияЛампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды. КолбаСтеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность. Буферный газКолбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль) Нить накалаНить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя. Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме. ЦокольФорма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. ПредохранительПлавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А. КПД и долговечностьПочти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне, и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим уменьшается время жизни на 95 %. Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
|
Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.
Галогенные лампы