Gloeilamp

Achtergrond

Vanaf de vroegste perioden van de geschiedenis tot het begin van de 19e eeuw was vuur de belangrijkste lichtbron van de mens. Dit licht werd op verschillende manieren geproduceerd:fakkels, kaarsen , olie- en gaslampen. Naast het gevaar van een open vlam (vooral bij gebruik binnenshuis), gaven deze lichtbronnen ook onvoldoende verlichting.

De eerste pogingen om elektrisch licht te gebruiken werden gedaan door de Engelse scheikundige Sir Humphry Davy. In 1802 toonde Davy aan dat elektrische stromen dunne stroken metaal tot witte hitte konden verwarmen, waardoor licht werd geproduceerd. Dit was het begin van gloeiend (gedefinieerd als gloeiend met intense hitte) elektrisch licht. De volgende grote ontwikkeling was de booglamp. Dit waren in feite twee elektroden, meestal gemaakt van koolstof, van elkaar gescheiden door een korte luchtruimte. Elektrische stroom die op een van de elektroden werd toegepast, stroomde naar en door de andere elektrode, wat resulteerde in een lichtboog door de luchtruimte. Booglampen (of gloeilampen) werden voornamelijk gebruikt in buitenverlichting; onder een grote groep wetenschappers was nog een wedloop gaande om een ​​bruikbare bron van binnenverlichting te ontdekken.

De grootste moeilijkheid die de ontwikkeling van een commercieel levensvatbare gloeilamp tegenhield, was het vinden van geschikte gloeiende elementen. Davy ontdekte dat platina het enige metaal was dat lange tijd witte hitte kon produceren. Koolstof werd ook gebruikt, maar het oxideerde snel in de lucht. Het antwoord was om een ​​vacuüm te ontwikkelen dat de lucht weg zou houden van de elementen, en zo de lichtproducerende materialen zou behouden.

Thomas A. Edison, een jonge uitvinder die in Menlo Park, New Jersey werkte, begon in de jaren 1870 aan zijn eigen vorm van elektrisch licht te werken. In 1877 raakte Edison betrokken bij de haast naar een bevredigende elektrische lichtbron, waarbij hij zijn aanvankelijke betrokkenheid wijdde aan het bevestigen van de redenen voor de mislukkingen van zijn concurrenten. Hij stelde echter vast dat platina een veel betere brander was dan koolstof. Terwijl hij met platina werkte, verkreeg Edison in april 1879 zijn eerste patent op een relatief onpraktische lamp, maar hij bleef zoeken naar een element dat efficiënt en economisch kon worden verwarmd.

Edison sleutelde ook aan de andere componenten van het verlichtingssysteem, waaronder het bouwen van zijn eigen stroombron en het bedenken van een baanbrekend bedradingssysteem dat een aantal lampen aan kon die tegelijkertijd brandden. Zijn belangrijkste ontdekking was echter de uitvinding van een geschikt filament. Dit was een zeer dunne draadachtige draad die een hoge weerstand bood tegen de doorgang van elektrische stromen. De meeste van de vroege filamenten brandden zeer snel op, waardoor deze lampen commercieel onbruikbaar werden. Om dit probleem op te lossen, begon Edison opnieuw met koolstof als verlichtingsmiddel.

Hij koos uiteindelijk gecarboniseerde katoenen draad als zijn filamentmateriaal. De gloeidraad werd vastgeklemd aan platinadraden die stroom van en naar de gloeidraad zouden voeren. Dit samenstel werd vervolgens in een glazen bol geplaatst die bij de nek was gesmolten (genaamd afdichting). Een vacuümpomp verwijderde de lucht uit de bol, een langzame maar cruciale stap. Invoerdraden die zouden worden aangesloten op de elektrische stroom die uit de glazen bol stak.

Op 19 oktober 1879 deed Edison zijn eerste test van deze nieuwe lamp. Hij liep twee dagen en 40 uur (21 oktober - de dag waarop de gloeidraad uiteindelijk doorbrandde - is de gebruikelijke datum voor de uitvinding van de eerste commercieel praktische lamp). Uiteraard heeft deze originele lamp een aantal revisies ondergaan. Er werden fabrieken opgericht om gloeilampen in massa te produceren en er werden grote vorderingen gemaakt in bedrading en elektrische stroomsystemen. De gloeilampen van vandaag lijken echter sterk op de originele lampen van Edison. De belangrijkste verschillen zijn het gebruik van wolfraamfilamenten, verschillende gassen voor een hogere efficiëntie en een verhoogde helderheid als gevolg van filamenten die tot hogere temperaturen worden verwarmd.

Hoewel de gloeilamp het eerste en zeker het goedkoopste type gloeilamp was, zijn er tal van andere gloeilampen die talloze toepassingen dienen:

• Halogeenlampen van wolfraam
• Fluorescentielampen zijn glazen buizen die kwikdamp en argongas bevatten. Wanneer elektriciteit door de buis stroomt, zorgt dit ervoor dat het verdampte kwik ultraviolette energie afgeeft. Deze energie treft vervolgens fosforen die de binnenkant van de lamp bedekken en zichtbaar licht afgeven.
• Kwikdamplampen hebben twee lampen:de boogbuis (gemaakt van kwarts) zit in een beschermende glazen lamp. De boogbuis bevat kwikdamp met een hogere druk dan die van de fluorescentielamp, waardoor de damplamp licht kan produceren zonder de fosforcoating te gebruiken.
• Neonlampen zijn glazen buizen, gevuld met neongas, die gloeien als er een elektrische ontlading in plaatsvindt. De kleur van het licht wordt bepaald door het gasmengsel; puur neongas geeft rood licht.
• Metaalhalogenidelampen, die voornamelijk buitenshuis worden gebruikt voor stadions en wegen, bevatten chemische verbindingen van metaal en halogeen. Dit type lamp werkt op vrijwel dezelfde manier als de kwikdamplampen, behalve dat metaalhalogenide bij gebruik zonder fosfor een natuurlijkere kleurbalans kan produceren.
• Hogedruknatriumlampen lijken ook op kwikdamplampen; de boogbuis is echter gemaakt van aluminiumoxide in plaats van kwarts en bevat een vast mengsel van natrium en kwik.

Thomas A. Edison (midden, met pet) met arbeiders in zijn laboratorium in Menlo Park, New Jersey. De foto is gemaakt in 1880.

Meer dan twintig uitvinders, die teruggaan tot de jaren 1830, hadden elektrische gloeilampen geproduceerd tegen de tijd dat Thomas Edison de zoektocht begon. De jaren 1870 waren het cruciale decennium, toen de productietechnologieën en de krachten van de vraag samenkwamen om de zoektocht naar een commercieel haalbaar elektrisch licht tot de hightech race met hoge inzet van het tijdperk te maken. Edison had zijn onderzoekslaboratorium gevestigd op het platteland van Menlo Park, New Jersey, halverwege tussen New York City en Philadelphia. Het laboratoriumgebouw en verschillende bijgebouwen werden gebouwd in 1876 met winst die Edison had gemaakt met zijn telegraafuitvindingen. Aanvankelijk was hij van plan projecten aan te nemen van elke investeerder die zijn hulp wilde en verder te werken aan zijn eigen ideeën in telegraaf- en telefoonsystemen. Hij zei dat hij dacht dat het laboratorium elke tien dagen een nieuwe uitvinding zou kunnen produceren en elke zes maanden een grote doorbraak.

In 1877 besloot Edison deel te nemen aan de veelbesproken race voor een succesvolle gloeilamp en breidde hij zijn laboratoriumfaciliteiten uit met een machinewerkplaats en een kantoor- en onderzoeksbibliotheek. Het personeel groeide van 12 naar meer dan 60 toen Edison het hele verlichtingssysteem aanpakte, van generator tot isolator tot gloeilamp. Ondertussen creëerde Edison een nieuw uitvindingsproces, waarbij hij een teamaanpak orkestreerde die financiering, materialen, gereedschappen en geschoolde arbeiders samenbracht in een 'uitvindingsfabriek'. Zo illustreerde de zoektocht naar de gloeilamp nieuwe vormen van onderzoek en ontwikkeling die later werden ontwikkeld door General Electric, Westinghouse en andere bedrijven.

William S. Pretzer

Grondstoffen

Dit gedeelte en het volgende (het fabricageproces) zullen zich richten op gloeilampen. Zoals eerder vermeld, werden er veel verschillende materialen gebruikt voor de gloeidraad totdat wolfraam in het begin van de twintigste eeuw het favoriete metaal werd. Hoewel uiterst kwetsbaar, Een van de belangrijkste componenten in een gloeilamp, de gloeidraad, wordt bereid door wolfraam en bindmiddel te mengen en vervolgens te trekken het mengsel tot een fijne draad rond een stalen doorn. Door de draad te verwarmen en vervolgens de doorn met zuur op te lossen, neemt het filament zijn juiste opgerolde vorm aan. wolfraamfilamenten zijn bestand tegen temperaturen tot 4500 graden Fahrenheit (2480 graden Celsius) en hoger. De ontwikkeling van de wolfraamfilamenten wordt beschouwd als de grootste vooruitgang in de gloeilamptechnologie, omdat deze filamenten goedkoop kunnen worden geproduceerd en langer meegaan dan alle voorgaande materialen.

De aansluit- of invoerdraden zijn meestal gemaakt van nikkel-ijzerdraad (genaamd dumet omdat het twee metalen gebruikt). Deze draad wordt in een boraxoplossing gedompeld om de draad beter aan glas te hechten. De lamp zelf is gemaakt van glas en bevat een mengsel van gassen, meestal argon en stikstof, die de levensduur van de gloeidraad verlengen. Lucht wordt uit de bol gepompt en vervangen door de gassen. Een gestandaardiseerde basis houdt het hele samenstel op zijn plaats. De basis, bekend als de "Edison-schroefbasis", was oorspronkelijk gemaakt van messing en geïsoleerd met gips en later porselein. Tegenwoordig wordt aan de buitenkant aluminium gebruikt en wordt glas gebruikt om de binnenkant van de basis te isoleren, waardoor een sterkere basis ontstaat.

Het fabricageproces

Het gebruik van gloeilampen varieert van straatverlichting tot auto koplampen tot zaklampen. Voor elk gebruik verschilt de individuele lamp in grootte en wattage, die bepalend zijn voor de hoeveelheid licht die de lamp afgeeft (lumen). Alle gloeilampen hebben echter de drie basisonderdelen:de gloeidraad, de lamp en de basis. Oorspronkelijk met de hand geproduceerd, is de fabricage van gloeilampen nu bijna volledig geautomatiseerd.

Filament

• 1 Het filament wordt vervaardigd door middel van een proces dat bekend staat als tekenen, waarin wolfraam wordt gemengd met een bindmiddel en door een matrijs - een gevormde opening - tot een fijne draad wordt getrokken. Vervolgens wordt de draad om een ​​metalen staaf gewikkeld die een doorn . wordt genoemd om het in zijn juiste opgerolde vorm te gieten, en vervolgens wordt het verwarmd in een proces dat bekend staat als gloeien. Dit proces verzacht de draad en maakt de structuur uniformer. De doorn wordt vervolgens opgelost in zuur.
• 2 Het opgerolde filament is bevestigd aan de invoerdraden. De invoerdraden hebben aan hun uiteinden haken die ofwel over het uiteinde van de gloeidraad worden gedrukt of, bij grotere lampen, worden gepuntlast.

Glazen bol

• 3 De glazen bollen of omhulsels worden gemaakt met een lintmachine. Na opwarmen Vrijwel het hele productieproces van gloeilampen is geautomatiseerd. De glasbollen worden geblazen door een lintmachine die meer dan 50.000 bollen per uur kan produceren. Nadat het filament en de steel in de bol zijn gestoken, wordt de lucht in de bol geëvacueerd en wordt een argon/stikstofmengsel erin gepompt. Ten slotte wordt de basis afgedicht. een oven, beweegt een doorlopend glaslint langs een transportband. Precies op elkaar afgestemde luchtsproeiers blazen het glas door gaten in de transportband in mallen, waardoor de omhulsels ontstaan. Een lintmachine die op topsnelheid beweegt, kan meer dan 50.000 bollen per uur produceren. Nadat de omhulsels zijn geblazen, worden ze afgekoeld en vervolgens van de lintmachine afgesneden. Vervolgens wordt de binnenkant van de lamp gecoat met silica om de schittering te verwijderen die wordt veroorzaakt door een gloeiende, onbedekte gloeidraad. Het bedrijfsembleem en het lampvermogen worden vervolgens op de buitenkant van elke behuizing gestempeld.

Basis

• 4 Ook de voet van de lamp is met mallen gemaakt. Het is gemaakt met inkepingen in de vorm van een schroef, zodat het gemakkelijk in de fitting van een lamp past.

Montage

• 5 Zodra de gloeidraad, de voet en de lamp zijn gemaakt, worden ze door machines in elkaar gezet. Eerst wordt het filament op het steelsamenstel gemonteerd, met de uiteinden vastgeklemd aan de twee invoerdraden. Vervolgens wordt de lucht in de bol geëvacueerd en wordt de behuizing gevuld met een mengsel van argon en stikstof. Deze gassen zorgen voor een langere levensduur van het filament. Het wolfraam zal uiteindelijk verdampen en breken. Als het verdampt, laat het een donkere afzetting achter op de bol die bekend staat als bulb-wall blacking.
• 6 Ten slotte worden de voet en de lamp verzegeld. De basis schuift op het uiteinde van de glazen bol zodat er geen ander materiaal nodig is om ze bij elkaar te houden. In plaats daarvan zorgen hun conforme vormen ervoor dat de twee stukken goed bij elkaar worden gehouden, waarbij de invoerdraden de aluminium basis raken om een ​​goed elektrisch contact te garanderen. Na het testen worden de bollen in hun verpakking gedaan en naar de consument verzonden.

Kwaliteitscontrole

Gloeilampen worden getest op zowel de levensduur als de sterkte van de lamp. Om snelle resultaten te krijgen, worden geselecteerde lampen in levensduurtestrekken geschroefd en verlicht op niveaus die hun normale brandsterkte ver overschrijden. Dit geeft een nauwkeurige meting over hoe lang de lamp meegaat onder normale omstandigheden. De tests worden uitgevoerd in alle fabrieken en in enkele onafhankelijke testfaciliteiten. De gemiddelde levensduur van de meeste gloeilampen voor huishoudelijk gebruik is 750 tot 1000 uur, afhankelijk van het wattage.

De Toekomst

De toekomst van de gloeilamp is onzeker. Hoewel het verwarmen van een gloeidraad tot het gloeit zeker een bevredigende manier is om licht te produceren, is het uiterst inefficiënt:ongeveer 95 procent van de elektriciteit die aan een typische gloeilamp wordt geleverd, wordt omgezet in warmte, niet in licht. In een wereld met slinkende hulpbronnen, waar energiebesparing steeds belangrijker wordt, kan deze inefficiëntie de gloeilamp uiteindelijk onpraktisch maken.

Er zijn al andere lichtbronnen in gebruik die de gloeilamp zouden kunnen verdringen. Fluorescentiebuizen domineren bijvoorbeeld al de industriële markt en zullen ongetwijfeld ook steeds meer worden gebruikt als lichtbron voor huishoudelijk gebruik. Fluorescentielampen verbruiken minstens 75 procent minder energie dan gloeilampen en kunnen twintig keer langer meegaan. De recente ontwikkeling van "compacte" fluorescentielampen, die in tegenstelling tot de standaard fluorescentiebuis in een typische huishoudlamp kunnen worden geschroefd, kan de binnenlandse markt voor fluorescentieverlichting uitbreiden.

Een andere recente ontwikkeling is de "radiogolflamp", een lamp die licht creëert door energie van een radiogolfgenerator naar een kwikwolk te sturen, die op zijn beurt ultraviolet licht produceert. Een fosforcoating op de lamp zet het ultraviolette licht vervolgens om in zichtbaar licht. Dergelijke lampen verbruiken slechts 25 procent zoveel energie als gloeilampen, en ze kunnen tien jaar of langer meegaan. Ze zijn ook volledig uitwisselbaar met gloeilampen.