充气灯泡,既可以避免钨丝氧化,又能够阻止它的蒸发,好处是很明显的。
不过与真空灯泡相比,充气也带来了新的问题,即对流的气体会把更多的热量传递给玻壳,并通过玻壳散失到周围的空间,结果是增加了热的损失,降低了发光效率。
这又是一个矛盾。
要看什么是矛盾的主要方面:如果钨丝的蒸发是主要的,热损失不是很多,那么通过充气抑制钨丝蒸发,很好地提高发光效率,充气就是有利的;反过来,如果矛盾的主要方面是热损失,蒸发问题不大,那么充气后发光效率提高不多,热损失却增加不少,充气就弊多利少。
一般来说,功率比较小的白炽灯,灯丝细长,热损失很大,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提高的“收入”
弥补不了充气后热损失增加的“支出”。对于这样的灯泡,充气就不一定有利。
在我国,25瓦以上的白炽灯泡都充气。
充气灯泡里充多少气合适,是有规律的。
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,玻壳壁就必须做得十分结实以防爆裂。
一般灯泡的充气压力,都在一个大气压左右。
除了讲究充气的数量,还要考虑充什么气。
氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氙、氪等等,都可以用来充进灯泡里。
从道理上讲,充气的目的既然是用来抑制钨丝蒸发,那当然应该选择那些身材比较“魁梧”,体重比较重,也即分子量比较大的气体。
比方说,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%。第一只充氩灯泡是1920年问世的。
氩是空气中含量最多的惰性气体,也是大气成分中仅次于氮、氧的第三号“人物”,每100升空气中就含有934毫升氩,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。
为什么不充氪、氙等一类分子量更大的惰性气体呢?用它们充气不是可以获得更好的效果吗?
确实如此。氪、氙一类的惰性气体不仅分子量大,传热本领也差。把它们充进玻壳里,既对钨丝蒸发有更强的抑制作用,造成的热损失也小得多。
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%,而灯泡的寿命并不缩短。
问题是,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,所以制取困难,身价高昂,十分难得,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。
为了提高白炽灯的发光效率,延长灯的使用寿命,人们还在灯丝的成分和结构上下功夫。
钨丝虽然能耐高温,但在高温下会变得很脆。发明家们于是请铼来帮忙,因为铼不仅熔点高,耐腐蚀,而且机械性能好,电阻率也比钨高得多。钨丝镀上铼以后,强度和电阻大大增加,寿命可以延长5倍。
要使通电后的灯丝获得足够高的发光温度,细细的灯丝必须做得很长,可是长长的灯丝灯泡里又放不下,于是发明家们把它做成螺旋形。大家知道湿衣服晾开要比团在一起容易干得多,也就是水汽的蒸发要快得多。同样的道理,人们把灯丝做成螺旋形,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,真是一举两得。
1936年,人们还做成了双螺旋灯丝,这样效果就更好,充气白炽灯的工作温度提高到2500℃以上,摄影用的白炽灯甚至达到了3000℃。
通过充进惰性气体和改进灯丝结构,白炽灯的蒸发速度进一步降低,发光效率进一步提高,它也变得更加成熟了。