为什么在打开白炽灯开关的一瞬间其灯丝容易熔断?

本人对一个初中物理电学题中出现的一个问题表示非常地疑惑。题中问到:“为什么白织灯在打开开关的一瞬间容易烧断灯丝?” 这是一个选择题,它正确的答案是“开始时灯丝温度低,其电阻受温度影响,因而电阻小,在220V电压下,通过其电流大,因此易烧断。” 看上去好像没什么问题,但是我一想,烧断的原因是因为温度过高达到灯丝的熔点因而灯丝熔断。同时,温度高,电阻也会随之而高,因而通过其电流也会随之而少,那题中所谓的电…
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看了大家的回答,主要有三种说法:
1.电阻分布不均匀,局部高温熔断。2.热应力与热疲劳导致的机械效应。3.线圈电感导致的机械效应。


应该说原因3的理由是基本不成立的,即使有作用,其影响的大小与前两个原因也要差上数个数量级。
而原因1和原因2其实都是直接原因,而导致他们产生作用的根本原因,实际上是热升华造成的灯丝变细。
灯丝的制作材料是钨,是典型的难熔金属,熔点高达3410摄氏度。但作为灯丝,为了显色性和色温好,工作温度通常都高达3000K左右,在这个温度下即使是钨,其升华作用也是不可忽视的了,灯丝上的钨会升华成蒸汽,而升华的钨蒸汽会在温度相对低温的玻璃壳上凝华,大家如果留心看的话,会发现用久了的白炽灯泡玻璃会变黑,其实就是凝华的钨蒸镀在了玻璃上。
在持续升华作用下,灯丝会逐渐变细,而因为灯丝本身的制造工艺,本来就不能保证处处粗细均匀,这样一来,就会造成较细较密的部分工作温度较高,升华作用更明显,形成了一个正反馈——越热的地方变细更快,越细的地方就更热。持续下去,总有一个地方会薄弱到经受不起点灯时热冲击的作用,在热应力下拉开,并在拉断前快速变细熔融。这个现象,如果做过测量材料的温度-抗拉强度曲线测定的朋友们应该都会见到。
也就是说,原因2才是主因,原因1虽然能看到现象,但实际上是原因2的作用。

这是白炽灯的宿命,有没有延寿的办法呢?有的,为了延长白炽灯寿命,人们发明了卤素灯这种新型白炽灯。一般的白炽灯内是充氮气的或抽真空的。而卤素灯,内部填充的是卤素元素,最常见的是碘(碘钨灯)和溴(溴钨灯)
有什么作用呢?打字太累我直接引用百科吧:
卤素灯泡与其他白炽灯的最大差别在于一点,就是卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴),其工作原理为:当灯丝发热时,钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动,当接近玻璃管壁时,钨蒸气被冷却到大约800℃并和卤素原子结合在一起,形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。卤化钨向玻璃管中央继续移动,又重新回到被氧化的灯丝上,由于卤化钨是一种很不稳定的化合物,其遇热后又会重新分解成卤素蒸气和钨,这样钨又在灯丝上沉积下来,弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程,灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长(几乎是白炽灯的4倍),同时由于灯丝可以工作在更高温度下,从而得到了更高的亮度,更高的色温和更高的发光效率
卤钨灯的基本发光原理和白炽灯相同,都是热辐射光源。不同的地方在于卤钨灯里面充入了特殊的工作气体,其成分是95%的混合气(二溴甲烷和氪气)以及5%的高纯氮,这些气体在灯泡内
卤素灯泡
建立了卤钨循环。具体过程是灯丝中的钨挥发出来后,会向温度较低的地方移动,然后在管壁处和Br2结合生成WBr2;而在温度较高处,WBr2又会分解,生成的W会回到灯丝上,Br回到工作气体中,这就是整个卤钨循环的过程。通过这样的卤钨循环,灯丝上的钨不会逐渐挥发,由于“热点”效应而使灯丝烧断,也不会因为钨在灯泡壳上沉积而发黑,其寿命得到大大延长。
  1、卤素灯的功能是设置了一个可逆的化学反应,与钨从灯丝蒸发。
  2、在普通的白炽灯,这主要是沉积在钨灯泡。卤素循环保持灯泡清洁,并在一生中几乎保持恒定的光输出。
  3、在中等温度下,蒸发的钨与卤素反应,卤化形成的左右移动,在充入惰性气体。在一段时间内,将达到较高的温度区域,在那里它离解,释放钨和释放卤素,重复该过程。
  4、对于该反应,以便操作,整体球温度必须高于在传统的白炽灯。在灯泡必须熔融二氧化硅(石英)或高的熔点的玻璃(如铝硅酸盐玻璃)制成的。

也就是这些卤素元素不断的把升华的钨又搬运回灯丝上,为它不断的+1s


另外,炉丝和灯丝不是一回事,材料性能工作条件都不是一回事,不要混为一谈。灯丝为了色温,是工作在3000K上下的,材料是钨或者碳,而炉丝工作只是为了加热,所以一般其工作温度低的多并且没有保护气体,以上面张工 @Patrick Zhang提到的HRE铁铬铝合金电炉丝为例,工作温度不会超过1400摄氏度。
电炉丝主要有铁铬铝合金和镍合金两大类,另外有特殊需要的(主要是高温炉丝)会用到钨丝和钼丝。
其中铁铬铝合金是铁素体基底,在高温下工作会相变成奥氏体,长时间工作还会造成组织过度发育,晶体粗大,性能脆化。再冷却下经过相变来内部还会积攒不少内应力,再次加热时,较细的地方在热应力和电磁力(没错这里应该考虑电磁力的)的作用下容易断裂。

为什么炉丝需要考虑电磁力呢?虽然相对于电阻来说,炉丝的感抗很小,但是电炉,尤其是大功率的电炉,其炉丝的电流和长度都很大,螺旋数远比灯丝要大,在通电时刻足够产生一个不可忽视的拉力,这个拉力在整个炉丝中是串联的,不会被平均掉,而且要注意在温度到居里点之前铁铬铝炉丝是铁磁性的,电磁力会成倍放大。再加上热冲击,和材料脆化,就会在最脆弱的地方断裂。

解决办法也有,最简单是用镍基合金电炉丝,是奥氏体基底的,退火效应不明显,无磁性,效率高,就是贵不少。

再提一句 : R=\rho _{0} (1+\alpha \theta )\frac{L}{S} 这个电阻公式在较短温度区间内是可以用的,在室温到3000K这个大区间不合适。