初三物理关于白炽灯丝断裂问题的浅析专题辅导.docVIP

关于白炽灯丝断裂问题的浅析 浙江王子夫 　　97年《物理教学》上刊登了王广清的《频繁开关白炽灯会影响灯泡寿命吗》及王新智等人的《关于白炽灯丝熔断问题的再讨论》两篇文章均对灯泡寿命问题有所论述，本人学习思索之余，就白炽灯断丝问题，从金属物理、金属力学。金属化学的角度提出一些见解，供同行参考。 一、灯丝的制作 　　金属钨（W）具有熔点高、蒸发率低，在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、电阻系数大、较易加工成型等优点，故此，现代白炽灯都采用金属钨作为发光体。 　　灯用钨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将钨砂（WO3）经氢气还原制得金属钨粉，压制成钨条放在氢气炉中直接通电进行烧结（烧结温度在3100℃左右）制成钨的金属棒，然后用旋锤机锻造，通过金刚石细孔，多次拉拔成细丝，并卷曲成螺纹状钨丝。 　　拉制出来的钨丝具有纤维结构，但其温度到1100—1300℃，会发生再结晶现象，使纤维结构遭到破坏。当温度达到1500—1600℃时，则晶粒发生长大，使钨变脆，并引起高温下垂。由于实际应用中钨丝的工作温度一般高达2400K—2600K以上，为改进钨丝质量，在烧结过程中常加添加剂，如Na2O，K2O，SiO2，ThO等，以改变钨丝的再结晶组织，提高高温抗蠕变能力与钨丝的高温抗下垂能。 　　根据钨丝制作工艺可知，钨丝烧结温度低于熔点，钨原子扩散不很充分，添加剂的使用及钨粉的纯度不可能百分之百的纯净，就势必造成晶间夹杂，存在成分结构不均匀。又经多次拉拔，产生过量塑变，使钨丝内部存在大量的空位和位错。虽经退火处理，但位错仍以网状存在于灯丝之中。又钨系体心立方晶格，电子层分布不对称，使原子结合力具有方向性，其位错阻力（Peteres应力）较大。又晶体本身脆性较大金属的力学性能，对温度急变与应变速度极为敏感，故钨丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。 二、灯丝正常发光时，断裂机理的分析 　　1、灯丝的“升华”变细机制 　　灯丝在高温下“升华”变细的原因主要有两个方面，一个是“水循环”破坏作用造成，另一个由钨本身的物理性质蒸气压所致。 　　（1）灯泡经抽气后，不可能达到绝对真空，不免有残留氧气（O）和水蒸气（H2O）吸附在灯丝上，在白炽的情况下发生化学反应。 　　a．水蒸气在白炽灯丝上离解为氢和氧 　　b．氧和钨反应，能形成易挥发的氧化物，从灯丝上蒸发出来，而沉积在泡壁上。 　　　　　　　　　　　　　　 　　c．从灯丝上扩散出来的H与泡壁上的氧化钨进行还原反应 　　这些过程的进行，其结果使钨从灯丝迁移；到泡壁上，而水始终保持恒定，与钨丝不断作用形成“水循环”的破坏作用，灯丝就这样变细，又由于“升华”的随机性，使钨丝表面变得粗糙甚至带有缺口（毛刺），进一步加强了钨丝的脆性敏感，最后变细的灯丝不能承受机械载荷或震动而断裂，或者在局部处因灯丝变细、电阻相对。变大，温度变高，易达到熔点而烧断。 　　（2）钨丝在高温工作时，蒸发速度大大上升，表1给出了钨在各种温度下的蒸发率和直径为0．1mm的直线钨丝在真空中工作时的寿命。 表1 温度T（K） 蒸发率V(g／cm2·s) 直径为0.1mm钨丝的寿命H(h) 2000 15.5×10-15 1.00×107 2200 22.4×10-23 7.20×104 2400 13.8×10-11 1.11×103 2600 41.7×10-10 3.86×10 2800 83.3×10-9 1.9 3000 10.5×10-7 0.15 　　由表中数据可看出当灯丝工作温度从2400K提高到3000K时，蒸发率增加了约7600倍，寿命从1000小时下降不到一小时，由此可见，在高温下钨的蒸发对灯丝寿命的影响非常重要。由于白炽灯丝的不均匀性，当灯丝通电工作时，在钨丝直径较细和螺距较密处的温度较高，钨的蒸发就比其他部分剧烈，这样一来该处的钨丝变得更细，则温度变得更高，产生恶性循环，最终导致该处灯丝烧毁。 　　2．晶体点缺陷对钨丝断裂现象的影响。 　除钨“升华”使钨丝变细机械断裂或热点熔断外，另一影响钨丝寿命的主要因素是点缺陷，其中主要是空位的影响。 　　用电子扫描显微技术观察灯丝，在晶粒表面有黑色的圆形点子，这些点子是空穴而不是实心，而且空穴成线性排列与钨丝轴线大致平行，另外在晶粒内部和晶粒边界处都会观察到空穴，但这种空穴数量往往沿晶粒边界，特别是边界核处要多一些。 　　另外，空位平衡浓度C与温度T的关系呈指数规律变化 　　 　　G＝Aexp（－u／kT）（u为空位形成能） 　　由上式可知，灯泡正常发光时（T约为2400Kt2600K）的空位浓度将增到常温时空位浓度的数十亿倍。 　　（1）由于高温下，空位在晶界，晶棱等处剧增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于钨的“升华”作用，使得存在于钨丝表面附近的