白炽灯-科普123

白炽灯

生物科学2023-02-02 21:52:47百科

白炽灯

[拼音]：baichideng

[外文]：incandescent lamp

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。

简史

19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，并在玻壳内充入惰性气体氮，以抑制钨丝的蒸发;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。

结构

不同用途和要求的白炽灯，其结构和部件不尽相同。普通白炽灯泡（见图）的主要部件是玻壳和灯丝。

玻壳

一般用透明玻璃制成。为避免灯丝眩光，对玻壳可进行内涂覆或磨砂处理，以形成光的漫反射。透明玻璃灯泡的数量则已逐渐减少。为加强某一方向的发光强度，还在玻壳上蒸涂铝反射层。一些特殊用途的灯泡采用彩色玻璃。

灯丝

又称白炽体。是灯泡的发光体，常用钨制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。为提高灯丝的发光效率，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。

灯丝有如下基本要求：

（1）熔点温度高。灯丝的熔点温度高则灯泡的放光效率也高。

（2）蒸发速率小。一般灯丝的寿命随蒸发速率减小而延长。此外，蒸发还会引起玻壳内部污染而吸收可见光，减少光通量。

（3）辐射选择性好。灯丝应能使大部分能量在可见光区域内辐射。

（4）机械加工性能好。灯丝材料用机械方法拉制成合格的细丝并能绕制成螺旋状。

（5）在高温下能充分定型。螺旋灯丝在高温工作时由于本身重量出现下垂变形，会造成灯丝各段的温度不匀，影响寿命。应尽量避免这种变形。

（6）有较大的电阻率。钨的上述性能较其他材料的好，因此在白炽灯中已普遍采用。钨的熔点为3680±20K，此时发光效率可达52lm/W。白炽灯中钨丝的实际工作温度为2800～3000K。为了提高钨丝的坚韧性，防止在高温时变形，通常在钨丝中加入微量氧化物，如氧化硅、氧化铝、氧化钾等。

灯丝的烧毁

钨有正的电阻特性，一般白炽灯灯丝在工作时的热电阻是室温时的10～13倍。所以，在灯泡每次启点的瞬间，钨丝的电流较大，容易烧毁。灯丝烧毁的另一个原因是灯丝局部区段可产生“热点”。产生局部热点的原因有以下4种：

（1）由于钨丝局部区段直径减缩；

（2）钨丝中的添加剂钾产生的微小钾泡在高温下聚合成大的钾泡；

（3）灯泡中的残余气体（如H₂O、O₂、CO₂等）与钨发生化学反应，生成挥发性的钨化物，使钨丝局部区段直径减缩。

（4）钨段局部螺距过密。以上情况会使钨丝局部区段电阻增加，温度升高，形成热点。热点反过来又导致钨的蒸发加快，使该区段电阻和温度进一步增大，从而加快了钨丝的烧毁过程。这种恶性循环称为热点效应。此外，在钨丝的生产、拉制和绕制螺旋过程中，任何杂质或不均匀都可导致灯丝烧毁。

灯泡设计和寿命

灯泡的设计主要有3种方法：

（1）设计新灯泡时，使用建立在白炽灯内部能量平衡上的统一公式。

（2）修正灯泡参数时，使用外推公式。

（3）在实际生产中，常使用经验公式。

设计灯泡时，应保证其能承受比额定值高15％的瞬时电压而不致烧毁；在额定电压下燃点时，其平均寿命不低于1000小时；寿终时，个别灯泡的光通不应低于初始光通的72％。

寿命是灯泡的一项基本参数，一般分为全寿命和有效寿命，以小时计。从灯泡开始点燃直到烧毁为止，各段使用寿命的迭加称为全寿命。在灯泡工作过程中，玻壳内壁逐渐覆盖一层暗黑薄层，光通逐渐衰减，从灯泡开始使用到衰减至一定值时，这段实际使用时间称为有效寿命。白炽灯的各项寿命参数和电源电压波动的关系是：

式中a、b、c、d 为特性指数，随灯泡的类型而异。

用途

白炽灯的光效虽低，但光色和集光性能好，易于大量生产、成本低、使用方便。因此，它始终是产量最大、应用最广泛的电光源。除作普通照明灯外，还可作航空、车辆、船舶用灯，医疗卫生、仪器、信号指示灯，舞台、放映、照相用灯，红外线加热，矿用、农用、集鱼和测光标准灯等。车辆用灯中汽车和拖拉机灯泡用得最多，有的是双丝灯泡（远光、近光），也有与反光罩整体结合的，电源电压一般有6V和12V两种，光强从3烛光到50烛光。目前很多类型的白炽灯已向卤钨灯发展。

发展趋势

白炽灯的发展趋势主要是研制节能型灯泡。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。

由于白炽灯使用量大，每提高1％的发光效率都有巨大的节能意义。提高白炽灯的效率可循两条途径：

（1）提高灯丝的工作温度。

（2）减少能量损耗。已设计使用的充氪白炽灯可节电 8～10％而不牺牲光输出或寿命。但纯氪不能使用，须加氮成为混合气。充入氪、氮混合气也有利于玻壳的小型化。另一种正在试验研究中的白炽灯是采用涂层二氧化钛－银－二氧化钛(TiO₂-Ag-TiO₂)等作为热反射膜，以反射红外辐射、透见光，它可得到与普通白炽灯相同的光输出而节能高达30％。