لامپ های تخلیه الکتریکی چگونه کار می کنند؟

لامپ های تخلیه الکتریکی چگونه کار می کنند؟
احتمالاً بارها چشمانتان را در مقابل نور سفید پرشدت فلاش های عکاسی زنون بسته اید. یا شاید در چراغ های خودرو خود، از لامپ های پرنوری موسوم به لامپ های زنون استفاده می کنید.

همان طور که بارها شاهد بودید، نور حاصل از این چراغ ها یا فلاش ها بسیار پرشدت و خیره کننده است.

اگر علاقمند هستید تا اطلاعات بیشتری در خصوص عملکرد و ساختار لامپ های تخلیه الکتریکی «آرک» (Arc Lamps)، به ویژه لامپ های زنون (Xenon Lamps) کسب کنید، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

همه لامپ ها می توانند نور تولید کنند. اما مکانیزم تولید نور در آن ها می تواند با یکدیگر متفاوت باشد.

در لامپ های رشته ای (Incandescent light bulb) به هنگام عبور جریان الکتریکی از آن ها، فلز «فیلمان» (Filament) بسیار نازکی از جنس «تنگستن» (Tungsten) که در داخل حبابی شیشه ای قرار دارد، بسیار گرم شده و شروع به گسیل (تابش) نور می کنند.

تصویر (1): نمایی زوم شده از رشته نازک تنگستن در یک لامپ رشته ای. ضربه یا تکان های شدید باعث ریزش این رشته شده و در نتیجه لامپ روشن نمی شود.

نور تابش شده از لامپ های معمولی فرکانسی در ناحیه مادون قرمز و طیف مرئی (بیشتر در ناحیه قرمز و نارنجی) قرار دارد.

تصویر (2): نمایی از یک لامپ رشته ای

لامپ های «فلورسنت» (Fluorescent) که با عنوان لامپ های کم مصرف در بازار شناخته می شوند، نور را به شیوه متفاوتی تولید می کنند. در داخل حباب یا محفظه این نوع لامپ ها معمولاً گازهایی نجیب نظیر نئون و آرگون به همراه بخار جیوه وجود دارد.

جهت آشنایی بیشتر با گازهای نجیب به مقاله «گاز نجیب — به زبان ساده» مراجعه کنید. با اعمال ولتاژی در حدود ولتاژ شکست گاز نئون یا آرگون (توسط ترانس یا به طور دقیق تر «بالاست» (Ballast))، گازهای مذکور تبدیل به پلاسما شده و در نتیجه برخوردهای مکرر با عناصر جیوه، باعث تحریک آن ها می شوند.

جیوه برانگیخته شده خود شروع به تابش فوتونی در ناحیه فرابنفش می کند. این فوتون یا امواج فرابنفش با برخورد به جداره لامپ که توسط لایه ای از ماده فلورسنت پوشیده شده است، باعث می شوند که ماده فلوسنت شروع به تابش در ناحیه مرئی کند.

اگر دقت کرده باشید اکثر لامپ های مهتابی و کم مصرف موجود در بازار نوری سفید آبی (یخی) دارند. در واقع فرکانس نور تابیده شده در ناحیه آبی است.

تصویر (3): نمایی از یک لامپ فلورسنت، موسوم به لامپ های کم مصرف

لامپ های زنون، همانند لامپ های نئون، نمونه هایی از لامپ های قوس الکتریکی (Electric arc) یا به بیان دقیق تر لامپ های تخلیه الکتریکی هستند. می توانید قوس الکتریکی را نمونه ای کوچک از رعد و برق در نظر بگیرید که بین دو سطح مختلف ولتاژ زده می شود.

تصویر (4): نمایی از یک قوس الکتریکی بین دو رشته سیم. ولتاژ مورد نیاز برای شکست هوا و ایجاد قوس به فاصله بین دو سطح ولتاژ، فشار و چگالی هوا بستگی دارد. نور بنفش رنگ به دلیل پلاسما شدن نیتروژن هوا است.

قوس الکتریکی در شرایط کنترل شده ای در داخل یک لوله شیشه ای پر شده از یک گاز در فشار کم یا زیاد (بسته به نوع کاربرد) بین دو الکترود اتفاق می افتد. این دو الکترود در دو انتهای لوله قرار داشته و به منبع تغذیه ای با ولتاژ بالا متصل است.

تصویر (5): نمایی از الکترودهای ولتاژ بالا برای یک لامپ 15 کیلووات زنون

میدان الکتریکی حاصل از ولتاژهای قوی، باعث جدا شدن الکترون ها از اتم و در نتیجه افزایش الکترون های آزاد می شود. این الکترون های آزاد می توانند در یک مسیر (همانند رعدوبرق) به صورت ناگهانی شارش یابند.

در اینجا نیز به هنگام اعمال ولتاژهای بالا، بسته به فشار گاز زنون درون لوله شیشه ای، یک میدان الکتریکی بسیار قوی ایجاد شده که در نتیجه آن جدا شدن الکترون ها از اتم زنون و تشکیل یون های زنون را داریم. در واقع گاز زنون به پلاسما تبدیل می شود.

در این میدان، الکترون ها به سمت قطب مثبت و یون ها به سمت قطب منفی حرکت کرده و در نتیجه، جریان الکتریکی بین دو الکترود، موسوم به قوس الکتریکی پدید می آید. نور حاصل از این قوس و پلاسمای زنون، بسته به عوامل مختلف می تواند نور سفیدی همانند نور خورشید تولید کند.

تصویر (6): لامپ های تخلیه الکتریکی پر شده از گازهای نجیب. نور تابش شده از هر عنصر، فرکانس (رنگ) متفاوتی دارد.

البته جدا از این نور، خود الکترود ها به دلیل اینکه حین عمل تا دمای نزدیک 3000 درجه سانتی گراد داغ می شوند، از خود نور تولید می کنند.

از این حیث جنس الکترودها را تنگستن که نقطه ذوبی حدود 3400 درجه سانتی گراد دارد، انتخاب می کنند. رنگ نور تابش شده به نوع گاز مورد استفاده در لامپ بستگی دارد.

در لامپ هایی که با گاز نئون پر شده اند، نور تابشی طیفی قرمز دارد. در لامپ های جیوه، نور تابشی سرد تر (منظور دمای رنگ) و روشن تر است. لامپ های زنون نیز نوری سفید تر و مثل نور سفید خورشید در روز دارند.

شکل (7): طول موج های نور تابش شده از لامپ های جیوه، زنون و زنون-جیوه

در برخی لامپ ها جیوه و زنون به صورت ترکیبی در داخل لوله شیشه ای وجود داشته و در نتیجه طیف وسیع تری از فرکانس ها تابش می شود. می توانیم به فوتون های وابسته امواج الکترومغناطیسی دمایی نسبت دهیم. هرچه فرکانس بیشتر باشد، دما نیز بیشتر است.

در امور مختلف و بحث روشنایی مرتبط به آن ها، دمای رنگ بسیار حائز اهمیت است.

شکل (8): دمای فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی، رابطه مستقیمی با افزایش فرکانس دارد.