1. Перехід електрона на різні рівні

Будь-яке тіло з температурою вище абсолютного нуля випромінює електромагнітні хвилі. Характер цього випромінювання описується моделлю абсолютно чорного тіла (АЧТ), запропонованою Максом Планком у 1900 році. Нитка розжарювання вольфрамової лампи за своїми оптичними властивостями є добрим наближенням до АЧТ у видимій частині спектру, що дозволяє використовувати фундаментальні закони теплового випромінювання для аналізу її роботи.

2. Ідеальний поглинач та ідеальний випромінювач

1. Фізика процесу

Нагрівання нитки розжарювання описується законом Джоуля–Ленца:

де – кількість теплоти, що виділяється провіднику, при протіканні електричного струму, Дж;

– сила струму, що протікає через провідник, А;

– опір провідника, Ом;

– час протікання струму через провідник, с.

Саме ця теплота є першоджерелом усієї енергії, що згодом перетворюється на електромагнітне випромінювання та конвективні теплові втрати.

1. Схематичне зображення закону Джоуля–Ленца

Потужність теплового випромінювання нагрітого тіла (Вт) описується законом Стефана–Больцмана:

де – кількість теплоти, що виділяється провіднику, при протіканні електричного струму, Дж;

– ступінь чорноти матеріалу (для вольфраму ε ≈ 0,45 у видимому діапазоні), в.о.;

= 5,67 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴) – стала Стефана–Больцмана;

– площа поверхні випромінювача, м².

– абсолютна температура, .

Залежність від четвертого степеня температури має принципове значення: підвищення температури нитки з 2000 К до 3000 К (тобто в 1,5 раза) збільшує питому потужність випромінювання приблизно в 5 разів. Це пояснює прагнення конструкторів ламп максимізувати робочу температуру нитки.

Закон зміщення Віна встановлює залежність між температурою тіла та довжиною хвилі (м), на яку припадає максимум спектральної щільності потужності випромінювання:

де = 2,898 × 10⁻³ м·К – стала Віна;

1. Графічне зображення закону Стефана-Больцмана

Для нитки розжарювання при T = 2800 К отримуємо ≈ 1035 нм, що відповідає ближньому інфрачервоному діапазону. Це означає, що лише незначна частина загального випромінювання потрапляє у видиму область спектру (380–780 нм). При підвищенні температури максимум зміщується у бік коротших хвиль, збільшуючи частку видимого світла та змінюючи його колір від червонуватого до більш білого.

Таким чином, підвищення температури нитки одночасно збільшує загальну потужність випромінювання (закон Стефана–Больцмана) та зміщує його спектральний максимум у видиму область (закон Віна), що призводить до зростання світлової віддачі. Проте практичні обмеження пов'язані з термічною стійкістю матеріалу нитки.

4. Матеріалознавство

Вибір матеріалу для нитки розжарювання є ключовою матеріалознавчою проблемою, що визначає ефективність та довговічність лампи. Ідеальний матеріал повинен мати: високу температуру плавлення; малий тиск насиченої пари при робочій температурі (щоб уникнути швидкого випаровування); достатній питомий електричний опір; задовільні механічні властивості для виготовлення тонкого дроту.

В історичному контексті першим матеріалом слугував вуглець у вигляді обвугленого бамбукового або бавовняного волокна (Едісон) та карбонізованого целюлозного волокна (Лодигін). Вугільні нитки мали невисоку температуру плавлення (~3600 °C) та ламкість, що обмежувало їх застосування.

Тантал (температура плавлення 2996 °C) використовувався на початку XX століття компанією Siemens & Halske, однак мав недостатньо високу температуру плавлення та схильність до рекристалізації. Осмій (температура плавлення 3033 °C) також розглядався як матеріал для нитки, проте його надзвичайна крихкість і висока вартість унеможливили широке промислове застосування.

Вольфрам (W) став стандартом завдяки унікальній сукупності властивостей. Він має найвищу температуру плавлення серед усіх металів – 3422 °C, що дозволяє розігрівати нитку до 2700–3000 К без ризику розплавлення. Тиск насиченої пари вольфраму при 2800 К є відносно низьким (≈10⁻⁴ Па), що забезпечує прийнятний строк служби нитки. Питомий електричний опір вольфраму достатньо великий для ефективного перетворення електроенергії у теплоту, а температурний коефіцієнт опору позитивний, що забезпечує самообмеження струму при нагріванні. Реній (Re) у кількості 1–5% додається до вольфрамових нитей для підвищення їх пластичності та зменшення рекристалізації, що критично для галогенних ламп з більш високою робочою температурою.

а)	б)
в)	г)
д)
Матеріали ниток розжарювання а) вуглець б) тантал в) осмій г) вольфрам д) реній