白炽灯科技名词解释


白炽灯
白炽灯

白炽灯科技名词解释

  白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年,美国的T.A.爱迪生制成了碳化纤维(即碳丝)白炽灯以来,经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进,白炽灯的发光效率也相应提高。1959年,美国在白炽灯的基础上发展了体积和衰光极小的卤钨灯。白炽灯的发展趋势主要是研制节能型灯泡。不同用途和要求的白炽灯,其结构和部件不尽相同。白炽灯的光效虽低,但光色和集光性能好,是产量最大,应用最广泛的电光源。

  中文名:白炽灯
  外文名:incandescent lamp
  读音: bái chì dēng

  白炽灯又称钨丝灯、灯泡,是将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。由电流通过灯丝加热至白炽状态产生光的一种光源。是最早出现的电灯,用耐热玻璃制成泡壳,内装钨丝。泡壳内抽去空气,以免灯丝氧化,或再充入惰性气体(如氩),减少钨丝受热蒸发。因灯丝所耗电能仅一小部分转为可见光,故发光效率低,一般为10~15流/瓦。但制造方便,成本低,启动快,线路简单,现仍大量采用。[1]
  十九世纪后半叶,人们开始试制用电流加热真空中灯丝的白炽电灯泡。1879年,美国的T.A.爱迪生制成了碳化纤维(即碳丝)白炽灯,率先将电光源送入家庭。1907年,A.贾斯脱发明拉制钨丝,制成钨丝白炽灯。随后不久,美国的I.朗缪尔发明螺旋钨丝,并在玻壳内充入氮,以抑制钨丝的挥发。1915年发展到充入氩氮混合气。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,发光效率有很大提高。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。1959年,美国在白炽灯的基础上发展了体积和光衰极小的卤钨灯。白炽灯的发展史是提高灯泡发光效率的历史。白炽灯生产的效率也提高得很快。80年代,普通白炽灯高速生产线的产量已达8000只/小时,并已采用计算机进行质量控制。
全球白炽灯禁用时间表

发光原理

  组成
  这是一只普通的白炽灯,主要由玻壳、灯丝、导线、感柱、灯头等组成。
  玻壳做成圆球形,制作材料是耐热玻璃,它把灯丝和空气隔离,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。
  灯丝是用比头发丝还细得多的钨丝,做成螺旋形。看起来灯丝很短,其实把这种极细的螺旋形的钨丝拉成一条直线,这条直线竟有1米多长。
  导线两条导线表面上很简单,实际上由内导线、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。
  感柱一个喇叭形的玻璃零件就是感柱,它连着玻壳,起着固定金属部件的作用。其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走,然后将下端烧焊密封,灯就不漏气了。
  灯头是连接灯座和接通电源的金属件,用焊泥把它同玻壳粘结在一起。
  这里特别需要讲讲灯丝,因为电灯正是要靠它来发光的。
  同炭丝一样,白炽灯里的钨丝也害怕空气。如果玻壳里充满空气,那么通电以后,钨丝温度升高到2000℃以上,空气就会对它毫不留情地发动袭击,使它很快被烧断,同时生成一种黄白色的三氧化钨,附着在玻壳内壁和灯内部件上。
  要是玻壳里残留的空气比较少,那么上面讲的过程就会进行得慢一些,钨跟空气中的氧化合生成一薄层蓝色的三氧化二钨和氧化钨的混合物。

  这些都是空气玩的把戏——空气里的氧气使高温的钨丝氧化了。
  所以钨丝灯泡要抽成真空,把空气统统清除出去。
  有时怕抽气机抽不干净,还要在灯泡的感柱上涂一点红磷。红磷受热会变成白磷,白磷很容易同氧气反应,生成固态的五氧化二磷,把氧气“吃掉”,这样,玻壳里残留的氧气也被消除了。
  但是,这样做还没有解决全部问题。白炽灯用久了玻壳会变黑,再过一段时间会烧断,你知道这是为什么?
  确实,钨丝比起炭丝来,在真空里的蒸发速度要慢得多。但是,当白炽灯点亮温度升得很高的时候,钨的蒸发仍然十分严重。
  长时间的高温使钨丝表面的钨原子像水蒸汽一样不断地蒸发扩散,然后一层又一层地沉积到玻壳的内表面上,使玻壳慢慢黑化,越来越不透明。
  钨的蒸发也使钨丝越来越细,最后烧断。灯丝工作温度越高钨的蒸发越快,白炽灯的使用寿命就越短。
  如何使灯丝减少蒸发和延长使用寿命
  办法只有降低温度,降低灯丝温度可以达到延年益寿的目的。钨丝工作温度高达2700℃时,灯泡点亮不到1个小时就熄灭;钨丝工作温度下降到1700℃,使用寿命可以延长到1000个小时以上。
  可是,这并不是个好办法。降低钨丝的工作温度,也就是降低它的白炽程度,会使白炽灯的发光效率降低,远不如温度高时那么明亮。
  于是,问题就这样明明白白地摆在了人们的面前:要想白炽灯更多地发光,就得提高灯丝的工作温度;要想减少钨丝的蒸发以延长灯的寿命,又得降低它的一体温”。这是矛盾的。
  如何得到高的发光效率又减少钨丝蒸发
  经过多年的研究,人们注意到,当灯泡里充有空气的时候,虽然灯丝很快会被氧化,但是钨的蒸发却变慢了。原因其实很简单。 空气是由多种成分组成的,使钨氧化的只是占空气总量1/5的氧气;至于其余的大约占4/5的氮气,它不仅没有参与对钨的破坏作用,相反地还干了好事——阻碍钨分子的运动,降低钨的蒸发速度。
  人们于是给钨丝找到了一位保卫它的好朋友——氮气。氮气就在空气里,而且占了空气的大多数,真可谓“踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”。
  过去我们为了保证白炽灯延年益寿,不得不把玻壳中的空气抽走,抽得越干净越好,而现在为了同样的目的,我们却要做相反的工作,即把气体——当然是不会跟钨发生化学反应的气体充到玻壳里去。
  氮气是个懒惰的家伙,好自个儿东游西逛,跟谁也不爱打交道。它在很多地方派不上用场,可在白炽灯里却可一显身手。
  如果灯泡里是真空的,那么当钨丝接通电源,温度升高后,钨的分子就会“蠢蠢欲动”,大量地脱离灯丝,“如入无人之境”,到处乱跑,直到碰在玻壳壁上被吸着时为止。
  玻壳里一旦充进了氮气,白炽的灯丝周围就会形成一薄层稳定的气体保护层,就像一道活的“篱笆”。每一个氮气分子都是一名勇敢的战士,守卫在钨丝的附近,对那些企图脱离集体四处乱窜的钨分子毫不客气,狠狠地顶撞回去,叫它们重返工作岗位,继续为光明服务。这样一来,钨丝的蒸发速度就慢得多了。结果是出现了充氮气的白炽灯泡
  1913年,兰米尔首次往玻壳里充进氮气,这是继灯丝由炭丝改钨丝后白炽灯的又一重要革新。直到目前为止,充气仍然是抑制钨丝蒸发的基本措施。
  不过,有一点要注意,因为氧气或水蒸汽都会在钨丝工作时跟它起氧化反应,所以对充气的含氧量和含水量都有极严格的要求,不然的话,灯泡的寿命就会大大地缩短。
  充气使钨丝的蒸发速度变慢,同样的使用期限可以使灯丝在更高的温度下工作,所以充气灯泡的发光效率比真空灯泡要高。一般来说,充气灯泡的发光效率要比真空灯泡高出1/3以上。
缺陷介绍

  紧凑型荧光灯售价约是白炽灯泡的10倍,但寿命是后者的6倍,而且同等亮度的产品,荧光灯耗电量不足白炽灯泡的四分之一。随着新产品的不断出现,新型光源也不断诞生,譬如LED发光二极管,是一种半导体固体发光器件,被称为第四代照明光源或绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上;电光功率转换可超过10%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。
  人类使用白炽灯泡已有128年的历史了。提起白炽灯泡,人们必然会联想起爱迪生。实际上早在爱迪生之前,英国电技工程师斯旺(j.Swan)从40年代末即开始进行电灯的研究。经过近30年的努力,斯旺最终找到了适于做灯丝的碳丝。[4]
优点介绍

  光源小、便宜。
  具有种类极多的灯罩形式,并配有轻便灯架、顶棚和墙上的安装用具和隐蔽装置。
  通用性大,彩色品种多。
  具有定向、散射、漫射等多种形式。
  能用于加强物体立体感。
  白炽灯的色光最接近于太阳光色。

改变缺陷

  1878年12月18日,斯旺试制成功了第一只白炽电泡。此后不久,他还在纽卡斯尔化学协会上展示过他的碳丝灯泡。而当他的有关白炽电灯的实验报道在美国发表之后,也曾给爱迪生以直接的帮助。与爱迪生不同的是,斯旺在发明白炽电灯后,直到1880年才去申请专利;直到1881年才正式投产。而在灯泡投产之后,他未能像爱迪生那样建立相应的发电站和输电网。这样就使得爱迪生后来居上,成了人们公认的白炽电灯的发明家。
  在爱迪生研制白炽灯泡灯丝材料的过程中,曾试验过棉线、木材的细条、稻草、纱纸、线、马尼拉麻绳、马鬃、钓鱼线、麻栗、硬橡皮、栓木、藤条、玉蜀黍纤维,甚至人的胡须、头发。
  在1879年10月21日的傍晚,爱迪生和助手们成功地把炭精丝装进了灯泡。一个德国籍的玻璃专家按照爱迪生的吩咐,把灯泡里的空气抽到只剩下一个大气压的百万分之一,封上了口,爱迪生接通电流,他们日夜盼望的情景终于出现在眼前:灯泡发出了金色的亮光!在连续使用了45个小时以后,这盏电灯的灯丝才被烧断,这是人类第一盏有广泛实用价值的电灯。后来人们就把这一天定为电灯发明日。之后爱迪生还一直致力于白炽灯的改进,为了提高灯泡的质量,延长灯泡的寿命,爱迪生想尽一切办法寻找适合制灯丝的材料。到1880年5月初,他试验过的植物纤维材料共约6000种。在很长的一段时间里,爱迪生派遣了很多人前往世界各地寻找适合于制作灯丝的竹子。直至1908年的9年间,日本竹一直是供应碳丝的主要原料。
  爱迪生发明的白炽灯泡为人类的文明做出了巨大的贡献,但为了节能,为了环保,只能让它退出历史舞台!补充
  白炽灯有一个其他大部分类型发光产品不具备的优点,即适合频繁启动的场合。

应用现状

  我国绿色照明工程的宗旨是推动节约能源、保护环境和提高照明质量,以适应和服务于我国社会进步和现代化进程。主要目标是
  1· 推广应用高效照明产品;
  2· 推进照明节电,实现照明节电10%的目标,预期到2010年照明节电累计1032亿kW·h;
  3· 通过节电,减少温室气体排放,到2010年累计减排二氧化碳4130万吨碳;
  4· 提高高效照明产品的质量和水平,扩大生产能力和出口量;
  5· 提高公众节能环保意识,更清楚了解高效照明系统的好处。
  其措施之一是严格限制低光效的普通白炽灯应用:这已成为全世界各国节能减排的共同要求。
  一般应使用荧光灯,主要是自镇流荧光灯代替白炽灯;在一些开关频繁、要求调光、有特殊装饰要求的场所,以及商场重点照明等,宜选用卤素灯。
  限制白炽灯应用,当前重点是宾馆和家庭两类场所:对宾馆主要靠设计师、装饰工程师和建设单位共同努力,增强节能观念和责任来解决;对家庭主要靠政府运用价格政策引导。

产品选用指南

  普通白炽灯:适用于需要调光、要求显色性高、迅速点燃、频繁开关及需要避免对测试设备产生高频干扰的地方和屏蔽室等。因体积较小,并可制成各种功率的规格,同时易于控光、没有附件、光色宜人等,故特别适于艺术照明和装饰照明。小功率投光灯还适用于橱窗展示照明和美术馆陈列照明等。适用于事故照明。因白炽灯光效低,寿命短、电能消耗大、维护费用高,使用时间长的工厂车间照明不宜采用。

开灯时最易烧坏灯丝?

  白炽灯泡内的灯丝,是用很细的钨丝绕制成的。电灯正常工作时温度达到2000℃以上,虽然还达不到钨丝的熔点3370℃,但这样的高温却可以使钨丝表面的一部分原子蒸发出来。因此,灯泡用久后,玻璃泡会慢慢变黑,灯丝会慢慢变细,变得粗细不再那么均匀。由于导体的电阻与其横截面积有关,细的地方单位长度的电阻比粗的地方单位长度电阻大,由知,细的地方发热功率比粗的地方大,因此,越细的地方温度就越高。发热不均匀,不仅会使灯丝变形,而且还会使螺旋形的灯丝匝数的间距不均匀,从而导致发热更加不均匀,匝数越密的地方,温度越高。而对于大多数导体来说,电阻与温度有关,温度越高,电阻越大。 一般人认为: 电灯开启前,灯丝是冷的,它的电阻很小;在开灯的一瞬间,通过灯丝的电流很大,约是正常发光时电流的十倍左右。因此,开灯的一瞬间,灯丝的发热功率比正常发光时要大得多,这就有可能使变细、变密部分的灯丝温度达到或超过钨丝的熔点,致使灯丝被熔化。所以灯泡用久了,在开灯的时候,灯丝易从变细、变密的地方烧断。
  但问题在于:开启瞬间的温度还未升高,,为何灯丝反而容易断? 其实这里面还有一个重要原因:灯丝与引线支架的连接不牢,造成一定的接触电阻,尤其在开灯瞬间其消耗的功率大幅增加,加上灯丝本身的热量,就容易造成局部过热而烧断灯丝!
  以上问题主要还是由于白炽灯生产技术的不足造成的,,相信如果能大幅度减少以上不足,造出更加灯丝直径更加均匀,绕制螺距更加均匀,连接部分更加牢固的白炽灯,就可以进一步提高其寿命了!

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