لامپ فلوئورسنت (مهتابی) چگونه کار می کند؟

شما لامپ های فلوئورسنت را هر روز در همه جا می بینید. در ادارات، مغازه ها، خیابان و…. شما حتی در منزل خودتان هم می توانید این لامپ ها را پیدا کنید! اگرچه این لامپ ها در اطراف ما هستند، ولی هنوز هم نحوه کار آنها برای بسیاری از مردم یک معما است.

داخل این لوله سفید رنگ چه اتفاقی می افتد؟

در این مقاله شما می توانید با نحوه کار لامپ های فلوئورسنت که بدون گرم شدن چنین نوری از خود ساطع می کنند، آشنا شوید.

برای درک اینکه لامپ های فلوئورسنت چگونه کار می کنند، بهتر است ابتدا اطلاعات خود را درباره نور مرور کنیم. نور یک شکل از انرژی است که می تواند از یک اتم رها شود. نور از تعداد زیادی از بسته های کوچک انرژی تشکیل شده است که انرژی دارند، ولی جرمی ندارند. این ذرات، فوتون نوری نامیده می شوند که بنیادی ترین واحد نور هستند.

اتم ها وقتی فوتون های نوری را آزاد می کنند که الکترون ها برانگیخته شوند. شما می دانید که الکترون ها ذراتی با بار منفی هستند که اطراف هسته می گردند. هر الکترون در اتم می تواند مقادیر انرژی متفاوتی را بگیرد که به فاکتورهای متفاوتی مانند سرعت و فاصله از هسته مربوط می شود. الکترون ها با انرژی های متفاوت، مدارهای متفاوتی را اشغال می کنند. بطورکلی الکترون هایی که انرژی بیشتری دارند در مدارهای دورتری از هسته قرار می گیرند.

وقتی یک اتم انرژی می گیرد یا از دست می دهد، این تغییر به صورت تکانه بیان می شود. وقتی یک چیزی مثل گرما یا برخورد تشعشعات گاما به اتم انرژی بدهد، الکترون آن اتم ممکن است موقتاً به مدار بالاتر (دورتر از هسته) جهش کند و به اصطلاح برانگیخته شود. الکترون برانگیخته برای مدت بسیار کوتاهی (کسری از صدم ثانیه) در این مکان باقی می ماند و فوراً به سمت هسته (مدار اصلی خود) جذب می شود. این الکترون به محض بازگشت به مدار اصلی، انرژی اضافی را به شکل فوتون رها می کند.

طول موج نور گسیل شده به مقدار انرژی رها شده توسط الکترون بستگی دارد و انواع مختلف اتم ها، فوتون های نوری مختلفی آزاد می کنند؛ به عبارت دیگر، رنگ نور توسط نوع اتم برانگیخته معین می شود. این مکانیسم تقریباً پایه تمام منابع نوری است. تفاوت اصلی، در فرآیند برانگیخته شدن اتم ها است.

لوله شیشه ای لامپ فلوئورسنت

عنصر مرکزی در یک لامپ فلوئورسنت یک لوله شیشه ای مهر و موم شده است. این لوله حاوی مقدار کمی جیوه و گاز آرگون است که در فشار خیلی پایین نگاه داشته می شود. لوله همچنین حاوی روکشی از پودر فسفر است که روی سطح داخلی لوله پخش شده است. لوله همچنین دو الکترود در دو انتهای خود دارد که به مدار الکتریکی متصل هستند. مدار الکتریکی خود به یک منبع جریان متناوب (AC) متصل است.

وقتی شما لامپ را روشن می کنید، ولتاژ قابل توجهی در دو سر الکترودها به وجود می آید. آنچنان که الکترون های داخل گاز از یک انتهای لوله به انتهای دیگر آن حرکت می کنند. انرژی جنبشی حاصل از برخورد الکترون ها به اتم های گاز آرگون، مقداری از جیوه را از حالت مایع به گاز تغییر می دهند. در ادامه الکترون ها و اتم های گازی جیوه، باعث برانگیخته شدن اتم ها می شوند. الکترون ها به مدارهای بالاتر پرتاب می شوند و در بازگشت به مدار اصلی، فوتون های نوری ساطع می کنند.

طول موج فوتون های ارسالی بستگی به محل الکترون و نوع اتم دارد. الکترون های اتم جیوه طوری چیده شده اند که بیشتر فوتون های نوری در محدوده فرابنفش گسیل می شوند. از آنجا که چشم های ما فوتون های طیف فرابنفش را تشخیص نمی دهد، بنابراین نیاز به نوعی مبدل نور مرئی داریم تا لامپ درخشان دیده شود. در اینجا روکش پودر فسفر وارد کار می شود.

فسفر ماده ای است که وقتی در معرض تشعشع قرار گیرد، نورافشانی می کند. وقتی یک اشعه یا فوتون با فسفر برخورد کند، یکی از الکترون های اتم آن به تراز بالاتر می جهد و اتم برانگیخته می شود.

این الکترون هم در بازگشت به مدار عادی، انرژی را به شکل فوتون دیگری آزاد می کند. فوتون ارسالی اتم فسفر انرژی کمتری دارد که قابل دیدن با چشم است. معمولاً مقداری از نور تولید شده توسط لامپ های حبابی (التهابی) در طیف فرابنفش قرار دارد و آنها نمی توانند هیچ بخشی از آن را به نور مرئی تبدیل کنند، در نتیجه مقدار زیادی از انرژی لامپ های حبابی به هدر می رود. اما یک لامپ فلوئورسنت (مهتابی) این نور غیر مرئی را بکار می گیرد و بنابراین کارآمدتر است.

لامپ های حبابی همچنین بیشتر انرژی خود را به صورت گرما از دست می دهند، اما لامپ های فلوئورسنت گرمایی هدر نمی دهند و در مجموع، چهار تا شش برابر لامپ های حبابی کارآمدتر هستند.

جریان الکتریکی داخل لامپ مهتابی شبیه جریان داخل سیم معمولی است، اما به جای یک رسانای جامد، در لامپ مهتابی جریان از داخل گاز یونیزه عبور می کند. رسانایی گاز از رسانایی جامدات در پاره ای جهات فرق می کند.

در یک رسانای جامد، بار الکتریکی را الکترون های آزاد با جهش از یک اتم به اتم دیگر منتقل می کنند، اما در رسانای گازی، بار الکتریکی توسط الکترون های آزاد یا یون ها (اتم هایی با بار الکتریکی مثبت یا منفی) منتقل می شود.

نکته: با برخورد الکترون ها به اتم های گازی، آنها یا الکترون اضافی جذب می کنند یا یکی از الکترون های سطح خود را از دست می دهند. به این عمل یونیزه شدن گفته می شود. گاز یونیزه، محیطی پلاسمایی برای عبور جریان الکتریسیته مهیا می کند.

برای داشتن یک جریان الکتریکی در داخل لوله مهتابی به دو چیز نیاز داریم:

1. الکترون های آزاد و یون ها
2. اختلاف ولتاژ زیاد بین دو انتهای تیوپ

عموماً یون ها و الکترون های آزاد کمی در یک گاز وجود دارند. چون همه اتم ها بطور طبیعی خنثی باقی می مانند. در نتیجه هدایت کردن یک جریان از میان بیشتر گازها سخت است. وقتی شما یک لامپ فلوئورسنت را روشن می کنید، اولین چیزی که نیاز به انجام آن است، وارد کردن تعداد زیادی الکترون آزاد جدید از الکترودها داخل لوله شیشه ای است.

استارتر

لامپ فلوئورسنت از مکانیسم سوئیچ استارت برای روشن شدن استفاده می کند. وقتی لامپ روشن می شود، مسیر کم مقاوم تر، مدار کنار گذار ثانویه است.

در این مدار، جریان از میان الکترودهای دو انتهای لوله می گذرد. از آنجا که این الکترودها از رشته های سیمی با مقاومت زیاد ساخته شده اند، وقتی جریان از مدار عبور می کند، جریان الکتریکی باعث گرم شدن رشته های سیمی می شود و الکترون ها سطح فلز را تحریک می کنند و به داخل لوله گازی فرستاده می شوند تا گاز را یونیزه کنند. در همین زمان، یکسری اتفاق های جالب هم در سوئیچ استارت برقرار می شود. سوئیچ استارت یک لامپ تخلیه کوچک معمولی است که حاوی نئون یا گاز دیگری می باشد.

وقتی ولتاژ زیادی بین دو سر استارت ظاهر شد، جرقه ای بین دو سر پلاتین ها زده می شود. گرمای ایجاد شده، باعث انبساط یکی از پلاتین ها و متصل شدن آنها به هم می شود. در این لحظه برق در مدار جریان می یابد و باعث گرم شده الکترودها می شود. گرمای الکترودها هم باعث آزاد شدن الکترون ها از سطح فلز و یونیزه شدن گاز داخل لامپ می شود. گاز یونیزه شده مثل یک مدار الکتریکی عمل می کند و جریان را از خود عبور می دهد. با عبور جریان از داخل مدار اولیه، مدار ثانویه قطع می شود و پلاتین ها سرد شده و به جای قبلی باز می گردند.

وقتی الکتریسیته از میان مدار ثانویه عبور کرد، یک قوس الکتریکی بین پلاتین های آن برقرار می شود. گرمای ناشی از قوس الکتریکی، پلاتین های فلزی واسط را خم می کند تا سوئیچ بسته شود. با روشن شدن مهتابی و عبور جریان از مدار اولیه، جریان در مدار ثانویه قطع می شود. پلاتین های استارتر خنک می شوند و به مکان اصلی بر می گردند. با یونیزه شدن گاز داخل لوله، یک محیط رسانای الکتریسیته به وجود می آید. برای پایدار ماندن قوس الکتریکی داخل لوله به یک تثبیت کننده ولتاژ نیاز هست. این وظیفه بر عهده بالاست لامپ، که نوعی سلف (سیم پیچ) است، گذاشته شده است.

عملکرد سریع

تنها مشکل لامپ های فلوئورسنت قدیمی این بود که چند ثانیه طول می کشید تا روشن شوند. امروزه، بیشتر لامپ های فلوئورسنت طوری طراحی شده اند که فوراً روشن می شوند. در طراحی جدید استارترهای قدیمی وجود ندارند، بلکه بالاست لامپ، جریان را داخل دو الکترود بطور ثابت برقرار می کند. جریان نیز به گونه ای تنظیم می شود که بین دو الکترود اختلاف ولتاژ ایجاد می کند. وقتی لامپ فلوئورسنت روشن می شود، هر دو رشته سیمی الکترودها به سرعت داغ می شوند و شروع به گسیل الکترون ها می کنند تا گاز درون لامپ را یونیزه کنند.

نحوه کار لامپ های مهتابی را می توانید در انیمیشن زیر مشاهده نمایید.

این نوع لامپ ها در شکل ها و رنگ های مختلف وجود دارند. با این حال تمامی آنها بر اساس ساختار و اصول یکسانی کار می کنند. جریان الکتریکی، اتم های گازی جیوه را تحریک می کنند تا باعث آزاد کردن فوتون های ماورای بنفش شود. این فوتون ها نیز به نوبه خود اتم های عنصر داخلی لوله (که عموماً فسفر است) را تحریک می کنند تا نور مرئی منتشر شود.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «لامپ فلوئورسنت (مهتابی) 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.