浅析导致钨丝电灯泡烧毁的“热点效应”.pdfVIP

浅析导致钨丝电灯泡烧毁的“热点效应” 方明强 中国海洋大学,海洋遥感研究所,海洋遥感教育部重点实验室,青岛,266003 E-mail: Fmq@ 摘 要：本文就导致白炽钨丝灯损毁的 “热点效应”进行了简单的定量分析。较详细分析了 局部小段缺陷钨丝上的功率变化,显示了缺陷钨丝在熔断前期的高负载现象;解释 了灯泡的 正常 （非质量因素导致的）毁坏过程中一些现象的原因。提出了缺陷钨丝部分越短 （但不为 零）可能导致钨丝越快熔断的结论。本研究有助于人们对这一特定物理过程的深入认识，结 论同样适用于其它以钨丝通电获取光能的器材。 关键词：白炽灯，钨丝，热点效应 1. 引 言 白炽灯是一种热辐射电光源,其工作原理是靠灯丝的高温辐射发光的。由于灯丝工作时 温度很高(高达 2700℃左右),势必会造成钨丝的部分蒸发。蒸发使得灯丝逐渐变细,且出现 粗细不均。随着这种损耗程度的不断增加,灯丝便会在起动或工作中烧断,结束其使用寿命 [1]。尤其是开灯的瞬间,电流远远超出灯泡的额定电流。这个电流存在的时间约 0.007 秒, 在这么短的时间里,灯丝温度猛增,使灯丝某些薄弱部位产生 “热点”,造成钨丝过度的蒸发, 渐渐的 （通过频繁的开关）钨丝在这些地方就变得越来越细,于是,开灯时就容易发生断丝现 象[2]。白炽灯作为目前应用仍然非常普遍的灯种之一，人们对它的研究和改进从来没有停 顿过 [1,3,4,5,6,7,8]。其中，如何延长白炽灯内的钨丝的使用寿命是人们研究的重要兴趣 和目的之一，比如卤素灯的出现一定程度上延长了钨灯的寿命。但是本质上，钨丝在炽热状 态中还是或多或少会发生使得钨丝变细 （并且不均匀）的钨原子升华现象。深刻的理解这一 过程对于从本质上延长灯的寿命具有决定意义。很多文献在提及钨丝灯毁坏的原因时，提到 了灯丝的所谓 “热点效应” [2,4,6,,8,9],有的尽管没有明确提出这个名词，但也表达了这 层意思 [1,3]。国际上有关灯丝损坏机制的理论较多, “热点效应”便是其中很重要的一种 [10,11],国内文献中对其详细阐述的不多,缺少定量的认识。 2. 分 析 什么是所谓的 “热点效应”，它是如何导致钨丝灯泡的报废的呢？详细的分析 “热点效 应”比较复杂，不过，想要对其有个基本的认识，却只需要经过简单的物理推导。下面就普 通白炽灯做一个粗浅的分析。理论上，由于钨原子的蒸发与温度呈现指数关系 （指数永远不 会为 0），另一方面，钨丝越细，电阻越大，灯泡功率越小，所以，一根完美平直的钨丝是 不会毁坏的，只不过随着使用，灯泡越来越暗罢了。而实际上，钨丝上总有瑕疵，典型的就 是，总有部分的钨丝比其它地方细。为了简单起见，这里假设初期灯丝的半径绝大部分是均 匀的，只有很小的一段灯丝半径偏小，灯丝的所有材料也是均匀的。假设钨丝的截面为圆形， - 1 - ( ) r x L R ρ 半径为 , 是钨丝的总长度， 表示灯丝的总电阻（这里忽略灯丝边界效应）, 为 电导率(假设为一个常量，实际上是和温度负相关的)。于是， 2r L x 图1:钨丝的尺