Cosa determina la velocità di evaporazione del filamento di tungsteno?
doc-7862
Durante il normale funzionamento, il tungsteno del filamento evapora; i filamenti più caldi e più efficienti evaporano più velocemente. Per questo motivo, la durata di vita di una lampada a incandescenza è un compromesso tra efficienza e longevità. Il compromesso è in genere impostato per fornire una durata di vita di diverse centinaia a 2.000 ore per le lampade utilizzate per l' illuminazione generale. Lampade teatrali, fotografiche e di proiezione possono avere una vita utile di poche ore, l' aspettativa di vita commerciale per alte prestazioni in una forma compatta. Le lampade per servizio generale di lunga durata hanno un' efficienza inferiore, ma sono utilizzate quando il costo di sostituzione della lampada è elevato rispetto al valore dell' energia utilizzata.
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doc-7859
Per migliorare l' efficienza della lampada, il filamento è generalmente costituito da bobine multiple di filo sottile arrotolato, noto anche come "bobina arrotolata". Per una lampada da 60 watt a 120 volt, la lunghezza non rivestita del filamento di tungsteno è di solito 22,8 pollici (580 mm) e il diametro del filamento è 0,0018 pollici (0,046 mm). Il vantaggio della bobina arrotolata è che l' evaporazione del filamento di tungsteno è al tasso di un cilindro di tungsteno avente un diametro uguale a quello della bobina arrotolata. Il filamento della bobina a spirale evapora più lentamente di un filamento rettilineo della stessa superficie e della stessa potenza di emissione della luce. Come risultato, il filamento può quindi funzionare più caldo, che si traduce in una sorgente di luce più efficiente, riducendo l' evaporazione in modo che il filamento durerà più a lungo di un filamento dritto alla stessa temperatura.
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doc-7844
Il 13 dicembre 1904, Sándor Just ungherese e Franjo Hanaman croato ottennero un brevetto ungherese (numero di brevetto ungherese). 34541) per una lampada a incandescenza di tungsteno che è durata più a lungo e ha dato luce più luminosa del filamento di carbonio. Le lampade a filamento di tungsteno sono state commercializzate per la prima volta dalla società ungherese Tungsram nel 1904. Questo tipo è spesso chiamato Tungsram-bulbs in molti paesi europei. Riempire una lampadina con un gas inerte come argon o azoto ritarda l' evaporazione del filamento di tungsteno rispetto al suo funzionamento sotto vuoto. Ciò consente temperature più elevate e quindi una maggiore efficacia con minore riduzione della vita del filamento.
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doc-7860
Uno dei problemi della lampadina elettrica standard è l' intaglio del filamento dovuto all' evaporazione del filamento. Piccole variazioni di resistività lungo il filamento provocano la formazione di "hot spot" nei punti di resistività più elevata; una variazione del diametro di solo l' 1% determinerà una riduzione del 25% della vita utile. Questi punti caldi evaporano più velocemente del resto del filamento, il che aumenta la resistenza a quel punto, creando un feedback positivo che termina nel piccolo divario familiare in un filamento altrimenti sano. Irving Langmuir ha scoperto che un gas inerte, invece del vuoto, ritardava l' evaporazione. General service lampadine ad incandescenza lampadine oltre 25 watt circa in rating sono ora riempito con una miscela di argon per lo più e qualche azoto, o a volte krypton. Lampade funzionanti in corrente continua sviluppano irregolarità casuali di gradini di scale sulla superficie del filamento che possono tagliare la durata di vita a metà rispetto al funzionamento AC; leghe diverse di tungsteno e renio può essere utilizzato per contrastare l' effetto.
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doc-7865
La lampada alogena riduce l' evaporazione irregolare del filamento ed elimina l' oscuramento dell' involucro riempiendo la lampada con un gas alogeno a bassa pressione, piuttosto che con un gas inerte. Il ciclo alogeno aumenta la durata di vita della lampadina e ne previene l' oscuramento riposizionando il tungsteno dall' interno della lampadina sul filamento. La lampada alogena può far funzionare il suo filamento ad una temperatura superiore a quella di una lampada standard a gas di potenza simile senza perdita di vita operativa. Tali lampadine sono molto più piccole delle normali lampadine ad incandescenza, e sono ampiamente utilizzati dove l' illuminazione intensa è necessaria in uno spazio limitato. Lampade a fibra ottica per microscopia ottica è una tipica applicazione.
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doc-7863
In una lampada convenzionale, il tungsteno evaporato alla fine condensa sulla superficie interna dell' involucro di vetro, scurendola. Per i bulbi che contengono un vuoto, l' oscuramento è uniforme su tutta la superficie dell' involucro. Quando si utilizza un riempimento di gas inerte, il tungsteno evaporato viene trasportato nelle correnti di convezione termica del gas, depositando preferibilmente sulla parte superiore dell' involucro e annerendo solo quella parte dell' involucro. Una lampada ad incandescenza che fornisce il 93% o meno della sua potenza luminosa iniziale al 75% della sua vita nominale è considerata insoddisfacente se testata secondo la pubblicazione IEC 60064. La perdita di luce è dovuta all' evaporazione del filamento e all' annerimento della lampadina. Lo studio del problema dell' annerimento delle lampadine ha portato alla scoperta dell' effetto Edison, emissione termoionica e invenzione del tubo a vuoto.
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doc-7858
Nel 1906 fu introdotto il filamento di tungsteno. Tungsteno metallo inizialmente non era disponibile in una forma che ha permesso di essere trafilato in fili sottili. Filamenti in polvere di tungsteno sinterizzato erano abbastanza fragili. Nel 1910, William D. Coolidge di General Electric sviluppò un processo per la produzione di una forma duttile di tungsteno. Il processo richiedeva la pressatura della polvere di tungsteno in barre, quindi diversi passi di sinterizzazione, la pressatura e quindi il disegno del filo. Si è scoperto che i filamenti di tungsteno molto puro formato che si abbassano in uso, e che un trattamento molto piccolo "doping" con potassio, silicio e ossidi di alluminio a livello di poche centinaia di parti per milione notevolmente migliorato la vita e la durata dei filamenti di tungsteno.
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doc-7868
La resistenza effettiva del filamento dipende dalla temperatura. La resistenza a freddo delle lampade al tungsteno filamento è di circa 1/15 la resistenza a caldo filamento quando la lampada è in funzione. Ad esempio, una lampada da 100 watt e 120 volt ha una resistenza di 144 ohm quando è accesa, ma la resistenza al freddo è molto più bassa (circa 9,5 ohm). Poiché le lampade ad incandescenza sono carichi resistivi, per controllare la luminosità è possibile utilizzare semplici dimmer TRIAC a controllo di fase. I contatti elettrici possono essere contrassegnati da un simbolo a "T" che indica che sono progettati per il controllo di circuiti con una corrente di spunto elevata caratteristica delle lampade al tungsteno. Per una lampada di servizio generale da 100 watt, 120 volt, la corrente si stabilizza in circa 0,10 secondi, e la lampada raggiunge il 90% della sua piena luminosità dopo circa 0,13 secondi.
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doc-7836
Una lampadina a incandescenza, una lampada ad incandescenza o un globo di luce ad incandescenza è una luce elettrica con un filamento di filo riscaldato ad una temperatura elevata, facendo passare una corrente elettrica attraverso di essa, fino a quando si illumina con luce visibile (incandescenza). Il filamento caldo è protetto dall' ossidazione con una lampadina al vetro o al quarzo riempita di gas inerte o evacuata. In una lampada alogena, l' evaporazione del filamento è impedita da un processo chimico che trasferisce il vapore metallico sul filamento, prolungandone la vita. La lampadina viene alimentata con corrente elettrica tramite morsetti passanti o fili incassati nel vetro. La maggior parte delle lampadine sono utilizzati in una presa che fornisce supporto meccanico e connessioni elettriche.
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doc-7852
Le lampadine a incandescenza sono costituite da un involucro di vetro stagno all' aria (l' involucro, o lampadina) con un filamento di filo di tungsteno all' interno della lampadina, attraverso il quale passa una corrente elettrica. I fili di contatto e una base con due (o più) conduttori forniscono collegamenti elettrici al filamento. Le lampadine a incandescenza contengono di solito un supporto in stelo o in vetro ancorato alla base della lampadina che permette ai contatti elettrici di scorrere attraverso l' involucro senza perdite di aria o gas. Piccoli fili incorporati nello stelo sostengono a loro volta il filamento e i suoi fili conduttori.
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doc-7861
Mentre il gas inerte riduce l' evaporazione del filamento, conduce anche calore dal filamento, raffreddandolo e riducendone l' efficienza. A pressione e temperatura costanti, la conducibilità termica di un gas dipende dal peso molecolare del gas e dalla sezione trasversale delle molecole di gas. I gas ad alto peso molecolare hanno una minore conducibilità termica, perché sia il peso molecolare è più alto sia l' area della sezione trasversale è più alta. Il gas allo xeno migliora l' efficienza grazie al suo elevato peso molecolare, ma è anche più costoso, quindi il suo uso è limitato alle lampade più piccole.
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doc-7866
Una variante della lampada ad incandescenza non utilizzava un filamento di filo caldo, ma piuttosto un arco colpito da un elettrodo sferico a sfera per produrre calore. L' elettrodo è poi diventato incandescente, con l' arco che contribuisce poco alla luce prodotta. Tali lampade sono state utilizzate per la proiezione o l' illuminazione di strumenti scientifici come i microscopi. Queste lampade ad arco funzionavano a tensioni relativamente basse e incorporavano filamenti di tungsteno per avviare la ionizzazione all' interno dell' involucro. Hanno fornito l' intensa luce concentrata di una lampada ad arco, ma erano più facili da usare. Sviluppate intorno al 1915, queste lampade sono state sostituite da lampade al mercurio e allo xeno.
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