白炽灯中的物理问题

白炽灯中的物理问题

【题1】白炽灯泡的灯丝断了以后，轻轻摇晃灯泡，有时可以将断了的灯丝搭接上，假如将这只灯泡再装到灯座上，与原来相比是亮些还是暗些?试解释之。(注意:搭接灯丝的灯泡虽然仍能发光，但充气灯泡中的气压会比设计的高，容易发生爆炸事故。因此，不要使用搭接灯丝的灯泡。)

与原来相比会变亮。原因是:灯丝重新搭接以后会变短，电阻减小，在电压一定的情况下，功率增加，灯泡变亮。

本题不难，但涉及了很多物理知识，在此就一些同学们经常问到的问题给予解答。

【问】白炽灯有哪些部件?

【答】主要由灯丝(钨丝)、玻璃泡(玻壳)、玻璃支架、触头和绝缘体等组成。灯丝由支架支撑，从灯丝接至灯泡外的导线是铁合金丝，要先经过一段玻璃茎。为避免炸裂，铁合金丝的膨胀系数与玻璃相同。灯泡的两电极可用两相互绝缘的锡电极或一个锡电极和铁皮座(螺口灯泡)组成。

【问】灯丝的材料和结构有什么要求?

【答】灯丝是白炽灯的主要部分。制作灯丝的材料应具备:①熔点高;②蒸发率小;③可见辐射的选择性较好;④机械性能较好。经过反复的实验发现金属钨具备以上特点。现在，几乎所有的白炽灯泡都是用钨作灯丝，只有极少数的灯采用其他灯丝材料。不过，钨丝也有缺点，在高温下会变得很脆，耐震性差。铼不仅熔点高，耐腐蚀，而且机械性能好，电阻率也比钨高得多，所以，钨丝镀上铼以后，强度大大增加，耐震性能明显增强。

在消耗电能相同时，灯丝越短，热损耗越小，温度越高，光效越高。白炽灯泡问世100多年来，白炽灯的灯丝结构经历了三个发展阶段:第一阶段为直钨丝，由于细细的灯丝做得很长，热损大，光效低，寿命短，体积大;第二阶段为单螺旋灯丝，即把灯丝做成螺旋形，每圈不接触，不至于发生短路，一方面可以缩小所占空间，提高发光效率，另一方面又能降低钨的蒸发，延长使用期限，所以光效较高，寿命长，可达1000小时;第三阶段为双螺旋灯丝，即将绕成单螺旋状的灯丝再绕成较大的螺旋状，用双螺旋灯丝制造的灯泡光效比单螺旋灯丝提高10%以上。例如:采用双螺旋灯丝能使40W灯泡的灯丝长度由原来的50mm减少到25mm，并在同等寿命下使灯的光效提高20%。采用双螺旋灯丝的灯泡，寿命可达1 000小时以上。目前，国际上白炽灯泡绝大部分是双螺旋灯泡。

【题2】灯丝为什么会断?

钨的电阻随温度升高而增大，温度升高1℃电阻约增大千分之五。灯丝正常发光时温度为2200～3000℃，所以，白炽灯泡启动瞬间的电阻值约为正常工作时电阻值的十分之一，刚通电流时灯丝消耗的电功率约为正常工作时电功率的10倍，造成灯丝瞬间变热，温度急剧上升，大约在0.2s的时间内从室温升至2200～3000℃，快速升温，会造成灯丝急剧膨胀，甚至断裂。灯丝由于温度过高而断裂的现象称为烧毁。

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四种:

(1)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，形成挥发性的钨化物，使钨丝局部区段直径减缩;

(4)钨丝局部螺距过密。

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，这种恶性循环称之为热点效应。此外，在灯丝的生产、拉制和绕制螺旋的过程中，任何杂质和不均匀都可导致灯丝烧毁。

【题3】白炽灯的光为什么偏黄?

太阳光的波长范围是380～780nm，呈现纯白色。白炽灯的波长范围为400～780nm，缺少紫光，故略偏红黄。而日光灯的波长范围为310～750nm，缺少红光，故略带青色或呈青白色。

【题4】白炽灯有哪些优点?

成本低;使用方便、点灯不需要任何附件;可随开随关，光色柔和、显色指数高;可进行亮度调节;维修方便。

【题5】白炽灯的工作电压是多少?

1996年10月8日由全电力工业部颁布的《供电营业规则》规定:在电力系统正常状况下，供电企业供到用户受电端的供电电压允许偏差为:220V单相供电的，为额定值的±7%～10%，在电力系统非正常状况下，用户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定值的±10%。所以，设计灯泡时应保证其能承受比额定电压高15%的瞬间电压而不致烧毁。

有时，为提高白炽灯的寿命，采用额定电压为230V的灯泡或将两个额定电压为220V的灯泡串联使用。

【题6】白炽灯使用时间长了为什么会变暗?

在灯泡工作过程中，钨丝蒸发，随着时间增长，钨颗粒在玻壳里积聚成灰黑色一层，影响光线输出，光通逐渐衰减。另外，灯泡用久了由于钨蒸发会使灯丝变细，电阻增加，功率减小。

【题7】白炽灯泡壳内一定要充气体吗?

灯泡内充以惰性气体的目的是为了减少钨丝的蒸发。钨在蒸发过程中遇到惰性气体的阻拦，有一部分钨粒子折回到灯丝上。减少蒸发可提高灯丝的工作温度，从而提高灯泡的发光效能。但气体却能从灯丝上传导热，在泡壳内引起热对流，从而加剧了热损耗。

实验证明，功率比较小的白炽灯，充气虽然可以减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度，但是这部分发光效率的提高弥补不了充气后热损失的增加，所以15W和25W功率的灯泡基本是真空灯泡。功率较大的白炽灯，充气后热损失的增加小于减少钨丝的蒸发而提高的发光效率，所以一般40W及其以上的白炽灯泡都充气。

充气越多，玻壳里的气体密度越大，压力越高，抑制钨丝蒸发的效果就越明显。但充气太多会增加热的损失。实验表明，灯泡的充气压强在一个大气压左右效果较好。

灯泡所充的气体既要抑制钨丝蒸发，又要具有热传导性差的特点。实践表明，气体分子量越大，效果越好。氦是最轻的惰性气体，用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重，氖、氩又重于氮。同样的灯丝，同样的温度，在氮气中的蒸发率只有在真空中蒸发率的2%～5%。充填氩气的效果将更好，钨的蒸发率可降低到只有真空中蒸发率的1.3%～3%。氩是空气中含量最多的惰性气体，每100L空气中就含有934mL氩，加上它不易传热，所以常同氮气一起被用作灯泡充气。在一般的充气灯泡里，都充90%的氩气和10%的氮气，或者86%的氩气和14%的氮气。

氪、氙之类的惰性气体不仅分子量大，而且传热本领差。把它们充进玻壳里，对钨丝蒸发的抑制作用更强，造成的热损失也小。这样的充气灯泡，工作温度可以提得更高，灯更明亮，发光效率比充氩、氮的灯泡高约30%。但是，氪、氙之类气体是大气中含量最少的稀有气体，只有氩的含量的万分之一和十万分之一，制取困难，价格昂贵，只有在特殊需要的情况下，比如在制作某些矿灯的时候才使用。

【题8】灯泡为什么会爆炸呢?

灯泡爆炸现象不是常见，但有时会发生，一般是在40W及其以上的灯泡中发生。灯泡里填充气体中杂质含量高，或钨蒸发造成的气压较高等，都会增加热的传导，造成灯泡点燃时玻壳温度过高，发生爆炸。如果灯泡玻璃退火不好，或有划痕更容易炸裂。

由于15W和25W灯泡玻壳内是真空的，功率又小，灯泡点燃时玻壳的温度较低，使用时比较安全，非外力作用不会爆炸。