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白炽灯的基础知识

作者: admin 来源: 未知 时间: 2019-10-08 阅读:

  白炽灯的基础知识_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。白炽灯的基础知识 基础, 知识 1. 白炽灯的结构 普通白炽灯主要由玻壳、灯丝、导丝、芯柱、灯头等组成, 对于不同用途和要求的白炽灯,其结构和部件也有所差异。 玻壳 玻壳用耐热性能好的钠钙玻璃做

  白炽灯的基础知识 基础, 知识 1. 白炽灯的结构 普通白炽灯主要由玻壳、灯丝、导丝、芯柱、灯头等组成, 对于不同用途和要求的白炽灯,其结构和部件也有所差异。 玻壳 玻壳用耐热性能好的钠钙玻璃做成,大功率白炽灯用 耐热性能更好的硼硅酸盐玻璃,一些特殊用途的灯泡采用彩 色玻璃。 玻壳把灯丝和空气隔离, 既能透光, 又起保护作用。 白炽灯工作的时候,玻壳的温度最高可达 100℃左右。为避 免眩光,有些玻壳进行过磨砂处理,以形成光的漫反射。为 加强某一方向的发光强度,也有些玻壳上蒸涂了铝反射层。 灯丝 是灯泡的发光体,用比头发丝还细得多的钨丝制成, 为提高灯丝的发光效率,一般绕成单螺旋丝或双螺旋丝。钨 丝由芯柱上的钼丝支架支撑, 两端与导丝连接, 为安全起见, 高电压充气白炽灯外导丝还接有保险丝。 排气管 灯泡内的空气通过芯柱内的排气管抽出,或是抽真 空后再充进需要的惰性气体。排气管在抽真空后烧焊密封, 灯就不漏气了。 灯头 根据外形和用途不同,灯头主要分为螺口和插口两种 结构,插口灯头主要用在汽车、火车等需要抗震的场合。 两条导线由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。内 导线用来导电和固定灯丝,用铜丝或镀镍铁丝制做。中间一 段很短的红色金属丝叫杜美丝,要求它同玻璃密切结合而不 漏气。外导线是铜丝,任务就是连接灯头用以通电。 2.灯丝的制作 白炽灯是根据热辐射原理制成的,它依靠电能将灯丝 加热到白炽状态而发光,用作灯丝的材料应当满足如下要 求: a.熔点要高。随着温度的升高,多数物质辐射出来的总能量 以及可见光的比例都会增加。 b.材料的蒸发率小,有利于延长灯丝寿命。 c.可见辐射强。在可见区的光谱发射率高。 d.有适合的电阻率。 e.机械强度好,较易加工成型,使用时耐振动和冲击,。 金属钨具有熔点高、蒸发率低,在可见光区有较高的选 择辐射、 高温下机械强度高、 电阻系数大、 容易加工等优点, 是迄今为止最适合的灯丝材料。 灯用钨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将钨砂 (WO3)经氢气还原制得金属钨粉,压制成钨条放在氢气炉 中直接通电进行烧结 (烧结温度在 3100℃左右) 制成钨的金 属棒,然后用旋锤机锻造,通过金刚石细孔,多次拉拔成细 丝,并卷曲成螺纹状钨丝。 拉制出来的钨丝具有纤维结构,但其温度到 1100—1300℃,会发生再结晶现象,使纤维结构遭到破坏。 当温度达到 1500—1600℃时,则晶粒发生长大,使钨变脆, 并引起高温下垂。由于实际应用中钨丝的工作温度一般高达 2400K—2600K 以上, 为了减缓高温下的再结晶和克服高温时 灯丝下垂,在烧结过程中常加添加剂,如 Na2O,K2O,SiO2, ThO2、Ga、Co 和 Re 等,以改变钨丝的再结晶组织,提高高 温抗蠕变能力与钨丝的高温抗下垂能力。 根据钨丝制作工艺可知,钨丝烧结温度低于熔点,钨原 子扩散不很充分,添加剂的使用及钨粉的纯度不可能百分之 百的纯净,就势必造成晶间夹杂,存在成分结构不均匀。又 经多次拉拔,产生过量塑变,使钨丝内部存在大量的空位和 位错。虽经退火处理,但位错仍以网状存在于灯丝之中。又 钨系体心立方晶格,电子层分布不对称,使原子结合力具有 方向性,其位错阻力(Peteres 应力)较大。又晶体本身脆 性较大金属的力学性能,对温度急变与应变速度极为敏感, 故钨丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹 体。 3.白炽灯的充气 钨与氧在高温下会生成高价氧化物三氧化钨,所以抽空灯泡 内的空气可减小钨丝的氧化耗蚀。但是灯泡内的空气不可能 抽到完全真空,仍有空气使钨氧化而短寿。另外,因为灯泡 内气压很低,钨粒子从钨丝表面逸出的速度也加快,这将导 致钨丝寿命缩短。 灯泡充入惰性气体,可以减弱钨丝的氧化耗蚀,并且随着所 充气压越高,效果越好,从而可以延长灯的寿命。从 1913 年美国的朗缪尔制成充氩气的白炽灯后,白炽灯技术的到快 速发展。 现在我们知道,惰性气体的分子量越大,抑制钨蒸发的效果 越好,气体的热导损失也越小。因此,充氪气比充氩气好, 充氙气比氪气更好。不过,由于氪气和氙气比氩气更容易产 生放电并且价格较贵,现在的小功率低压灯泡为简便起见都 不充气,大功率低压灯泡充入约 0.1Mpa 的氩-氮混合气体, 高压灯泡则充含氮约 15%的氩气, 在矿灯等特种灯泡内才充 入氪气或氙气。 惰性气体不但减弱了灯丝的蒸发逸出,而且因为惰性气体的 热传导系数很小,还在灯丝周围形成一个保温层,从而将灯 丝温度提高到 2700~3000K, 辐射出来的见光的比例会有一定 增加。 但是, 由于气体对流产生的内摩擦会造成部分热损失, 充气灯泡会损失一定的功率,并随着气压增加而增加。从总 体上来说,充气灯泡的光效比同温度的真空灯泡要低。 减小泡壳尺寸可以获得更高的机械强度,气压可以充得更 高,抑制灯丝蒸发的效果更好。但是由于玻壳温度上升,普 通玻璃承受不了,必须改用硬质玻璃或石英玻璃。同时,玻 壳缩小后沉积的钨更多,灯泡更容易变黑,这反而使光效降 低。 由于工艺技术限制以及快速生产的需要,灯泡内仍然含有微 量的氧气、水气等杂质,通常的办法是在灯泡内使用消气剂 来提高真空度,常用的消气剂有红磷和五氧化三磷。 4. 白炽灯的外形 白炽灯的灯丝是用金属钨拉制的,这种材料的熔点很高,一 只点亮的白炽灯的灯丝温度高达 3000℃。 在高温下一些钨原 子会升华成气体向外扩散,这些钨气体遇到温度较低的玻璃 后又凝华在内壁上,呈乌黑色,这就是白炽灯用久发黑的原 因。 白炽灯普遍被设计成球型,这可以使钨原子能在一个比较大 的表面上沉积,避免灯泡在很短的时间内就被熏黑,造成光 通量的快速下降。 5.实用白炽灯的再改进 直形或 U 形灯丝的温度并不高,而卷成螺旋状的灯丝温度更 高,在充气灯中采用螺旋形灯丝来缩短灯丝长度,这有利于 延长灯丝寿命和减小灯的热导损失。这种单螺旋灯丝的又一 好处在于,能在灯泡内狭小的体积里做成较长的灯丝,以取 得更大的电阻。为了进一步提高灯丝温度,1912 年,日本的 三浦顺一为使灯丝和气体的接触面尽量减小,将钨丝从单螺 旋发展成双螺旋,灯丝温度高达 2700K,这使白炽灯的发光 效率由 6—9Lm/W 提高到约 13Lm/W,比单螺旋灯丝灯泡提高 发光强度 10%。1935 年,法国的 A·克洛德在灯泡内充入氪 气、氙气,进一步提高了发光效率。双螺旋灯丝白炽灯几经 改进,虽然发光效率提高到当今的 50 Lm/W,但在所有用电 的照明灯具中的效率仍是最低的,它所消耗的电能只有约 10%的电能转化为光能,其余部分都以热能的形式散失了。 为适应市场需求,人们不断对白炽灯进行改进,大大拓展了 白炽灯的应用范围,开辟了白炽灯的新时代。1949 年,碘钨 灯在美国诞生,它比普通白炽灯提高光效 30—60%,后来, 人们又制成了各式各样的碘钨灯。它已成为公共场所照明的 重要灯具。 6. 白炽灯的分类 6.1 普通照明灯泡 为了防止灯丝氧化并且减少热对流,这种灯泡玻壳内抽成真 空,因而提高了发光效率,并且具有了耐高温的品质,不怕 封闭灯具内的高温,环境温度 200℃以内都能正常工作。但 是在长时间高温下工作,金属钨会逐渐蒸发并均匀地粘附在 玻壳内壁,导致灯泡发光量逐渐衰减,所以这种产品寿命期 内光通保持性能欠佳。另外普通照明灯泡的眩光是一个固有 的缺陷,而裸露使用难登大雅,为此又有磨砂玻璃、乳白玻 璃和涂白玻璃几种产品,只是透光性受到影响。 6.2 PAR 灯泡 为了防止灯丝氧化,这种灯泡选择了充惰性气体的方式,并 且玻壳涂白。高温蒸发的钨蒸气在灯泡玻壳内部热对流的作 用下向上运动,最终粘附在灯把部位,因此寿命期内光通保 持较好,适用于照明质量要求较高的豪华装修场所,并且可 以裸露安装,不产生眩光。美中不足的是,PAR 灯不宜用于 高温场所,100℃环境温度下其寿命将缩短 40%。 6.3 卤素灯 卤素灯又叫卤钨灯,分为溴钨灯和碘钨灯两类,溴钨灯寿命 不如碘钨灯 (溴钨灯约 1000 小时, 碘钨灯可达 1500 小时) , 但溴钨灯的发光效率比碘钨灯高 5%。 卤素灯的玻壳是用石英 玻璃制成,所以又叫石英灯。 普通白炽灯中的惰性气体只能减弱灯丝的蒸发,而卤素灯的 特殊性就在于钨丝可以“自我再生”。在这种灯的玻壳中充 有一些卤族元素(如碘和溴),当灯丝发热时,钨丝在高温 下逐渐蒸发,逸出的钨原子向温度较低的玻璃管壁方向移 动。在它们接近玻璃管时,钨蒸汽被“冷却”到大约 800℃ 并和卤素原子结合在一起,形成卤化钨(碘化钨、溴化钨)。 卤化钨有向高温迁移的倾向,所以卤化钨又向灯泡中央移 动,最后落到被腐蚀的灯丝上。因为卤化钨很不稳定,遇热 后就会分解成卤素蒸汽和钨,这样钨又在灯丝上沉积下来, 弥补了被蒸发的部分,这个过程叫做“卤钨循环”。这种灯 不但可以消除钨粒附在灯泡玻璃内壁上发黑的现象和延长 灯丝寿命,而且灯丝可以做的相对较小,灯体也很小巧。卤 素灯的灯丝温度可达 3200K,显色性好,发光强度和发光效 率得到大大提高。 卤素灯的外形有灯管和灯泡两种,分别适用于不同的灯具。 卤素灯发热量较大,不适合环境温度较高的场合使用,因此 使用时需要注意散热,防止高温灼伤附近低熔点物质。 卤素灯按工作电压可以分为线电压和低电压两种,低电压卤 素灯的电源电压一般为 12 伏或 24V,功率在 10~200W 之间。 低电压卤素灯的钨丝可以做的较粗,额定寿命较长,光色也 更接近日光色。它配置的聚光杯可以使光线集合成一个向前 的强光束,却可以透过红外线,强光照射在需要突出表现的 物品上非常醒目,但减少了被照物品受到的热辐射。主要用 于需要光线集中照射的地方,比如用于橱窗、写字台及居室 的局部照明。 低压石英灯必须配备降压变压器才能使用,如果用于调光场 合,必须注意电子变压器是否适合,而电感变压器可以直接 使用。因在调压变光过程中较低的温度对卤钨循环不利。 7. 白炽灯的发展趋势 对普通白炽灯而言,若输入能量为 100%,则辐射在可见光 区域的能量为 7.1~10%(其中人眼感受到的为 2~4%), 辐射在不可见区域的为 72~86.4%, 被导线和支架以热形式 传出的为 6.5%,充气灯泡中被气体传出的能量为 11.5%。 白炽灯和卤钨灯等热辐射光源可能达到的极限能量转换发 光效率是 14%,而现有的白炽灯距这一限度还很远。 研制节能型灯泡是白炽灯发展的主要趋势,提高白炽灯的光 效、延长使用寿命可循两条途径: ①减小玻壳尺寸,提高灯丝的工作温度。 ②减少能量损耗。比如在玻壳上交替涂覆二氧化钛-银-二 氧化钛(TiO2-Ag-TiO2 )等作为热反射膜,这个过滤层只让 可见光通过,而将红外线反射回去加热灯丝,从而减少了用 来加热灯丝的电流量,这种新型白炽灯比普通白炽灯节电 50%。 虽然不断有新工艺、新材料应用到白炽灯上,但它的光效和 寿命等参数仍然不能与其它光源相比。 由于白炽灯具有安装简便、 价格低廉、 工作可靠等诸多优点, 在我们的日常生活中依然被广泛地使用着。特别是它还具有 光谱连续、显色性好、调光方便等独特性能,在舞台照明、 摄影照明及生物体内电镜探病等场合,其它光源仍还无法取 代。 大幅度提高高水平教学科研成果的奖励力度,

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