لامپ حبابی چگونه کار می کند؟

پیش از اختراع چراغ برق، روشن کردن منازل پس از غروب آفتاب کار دشواری بود. مردم با روشن کردن شمع یا چراغ های روغنی خانه های خود را روشن می کردند، ولی خطر آتش گرفتن و پخش دوده ها، مشکلاتی را برای مردم به همراه داشت.

زمانی که علم الکتریسیته در اواسط قرن 18 رو به پیشرفت می نهاد، مخترعین در هر جا سعی داشتند تا چراغی برقی را برای ایجاد روشنایی اختراع کنند.

دو دانشمند به نام های سِر جوزف سوان (Sir Joseph Swan) انگلیسی و توماس ادیسون (Thomas Edison) آمریکایی در یک زمان موفق به اختراع لامپ برقی شدند. در طی 25 سال، میلیون ها نفر از مردم جهان لامپ های برقی را جهت روشنایی در منازل خود نصب کردند. لامپ های حبابی امروزی شبیه همان لامپ اختراعی ادیسون هستند و تغییر چندانی در قطعات و ساختار آن صورت نگرفته است.

در این مقاله شما می توانید با ساختار لامپ های حبابی آشنا شوید.

اساس نور

نور عبارت است از بسته های بسیار ریز حامل انرژی که فوتون نامیده می شود. زمانی که الکترون های اتم برانگیخته می شوند، فوتون های نوری از اتم آزاد می شوند. همانطور که می دانید الکترون ها ذراتی با بارهای منفی هستند که دور هسته اتم می گردند. الکترون ها بسته به سرعت گردش و فاصله از هسته، دارای لایه های مختلفی از انرژی هستند. الکترون هایی که در مدار بالاتر (دورتر از هسته) قرار دارند، دارای انرژی بیشتری هستند. هرگاه به اتمی مقدار مشخصی انرژی تحمیل شود، یکی از الکترون های اتم با جذب این انرژی موقتاً به مدار بالاتری می رود و به اصطلاح برانگیخته می شود.

الکترون برانگیخته فقط زمان بسیار کوتاهی می تواند در مدار بالایی قرار گیرد و پس از آن به سرعت به طرف هسته جذب می شود. این الکترون در بازگشت به مدار پایینی، انرژی خود را به صورت فوتون نوری آزاد می کند.

طول موج نور ساطع شده (رنگ نور) به میزان انرژی آزاد شده توسط اتم بستگی دارد که آن هم به لایه الکترون برانگیخته شده مربوط است. در نتیجه، انواع مختلفی از اتم ها، فوتون های نوری متفاوتی آزاد می کنند. به عبارت دیگر، رنگ نورها بستگی به نوع اتم تحریک شده دارد. این روش، اساس تمام منابع نور است. تفاوت اصلی فقط در نحوه تحریک اتم ها است.

اجزای لامپ حبابی

لامپ های حبابی ساختار بسیار ساده ای دارند. دو میله فلزی که از یک طرف به مدار الکتریکی و از طرف دیگر به یک رشته فلزی (فیلامنت) متصل هستند، در داخل یک حباب شیشه ای قرار دارند که از یک گاز خنثی مثل آرگون پُر شده است. زمانی که جریان الکتریکی برقرار شود، الکترون های آزاد در سیم (الکترون هایی که به سادگی از اتم های دیگر جدا شده اند) به شدت به اتم های رشته فلزی (فیلامنت) برخورد می کنند. این ارتعاشات در اتم ها ایجاد گرما می کنند و باعث برانگیخته شدن آنها می شوند. الکترون های اتم تحریک شده، به سطح بالاتر انرژی فرستاده می شوند. به هنگام برگشت الکترون ها به مدار قبلی، انرژی اضافی به صورت فوتون های نوری ساطع می شود.

اتم های فلزی، نور را بیشتر به صورت فوتون های فروسرخ پخش می کنند که برای چشم انسان نامرئی هستند، ولی اگر سطح آنها به اندازه کافی گرم بشوند، میزان نور مرئی قابل قبولی پخش می کنند. فلز بکار رفته در لامپ ها از نوع تنگستن است. در یک لامپ 60 واتی، درازی تنگستن به 2 متر می رسد! برای اینکه این فلز در یک لامپ جا بگیرد، آن را به صورت سیم پیچ بسیار نازکی در آورده اند.

وظیفه گازهای خنثی

یک فلز باید بسیار گرم شود تا بتواند نور مرئی قابل قبولی از خود ساطع کند. در واقع، بسیاری از فلزات قبل از رسیدن به این دما ذوب می شوند! در لامپ های حبابی از فلز تنگستن استفاده می کنند، که درجه حرارت ذوب بالایی دارد، ولی تنگستن هم در درجه حرارت بالا آتش می گیرد، چون اکسیژن موجود در هوا باعث ایجاد اشتعال آن می شود. پس باید اکسیژن را از تنگستن دور کرد. فکری که ابتدا به ذهن رسید، ایجاد خلاء بود، ولی این شیوه هم مشکل داشت، چون در دمای بالا، ارتعاشات اتم ها باعث تبخیر و جدا شدن آنها از فلز می شدند. این اتم ها در خلاء حباب شیشه ای به پرواز در می آمدند و دور شیشه جمع می شدند و شیشه به خاطر پُر شدن اتم ها در سطح داخلی آن، تار می شد.

دانشمندان برای حل این مشکل، از یک گاز خنثی مثل گاز آرگون برای پُر کردن حباب شیشه ای استفاده کردند. زمانی که اتم ها به خاطر گرمای فوق العاده از تنگستن جدا می شوند، بعد از برخورد به گاز آرگون، دوباره به سمت فلز برگردانده می شوند. گاز آرگون به خاطر ویژگی های عنصری آن قابل ترکیب و ایجاد اشتعال در تنگستن نیست.

البته در لامپ های حبابی فقط 10 درصد از نور تولید شده در طیف مرئی قرار دارد و بقیه به صورت گرما به هدر می رود. در حالی که در دیگر منابع تولید نور، مانند لامپ فلوئورسنت (مهتابی) یا دیود نوری (LED)، قسمت اعظم انرژی به نور تبدیل می شود. به همین دلیل است که این نوع منابع به آرامی لامپ های حبابی را از دور خارج می کنند.

اختراع لامپ های حبابی تحول بزرگی را در زندگی بشر ایجاد کردند که حتی با کنار گذاشتن این لامپ ها در آینده، تلاش و کوشش مخترعین آن فراموش نخواهد شد.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «لامپ حبابی چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.