لامپ رشته ای چیست؟ تاریخچه، ساختار و انواع لامپ رشته ای
لامپ رشته ای چیست و چگونه کار می کند؟ با تاریخچه اختراع، اجزا، گازهای داخل لامپ، انواع لامپ رشته ای و هالوژن و کاربرد آنها در اسپکتروفتومتر آشنا شوید.
لامپ رشته ای نوعی لامپ است که در آن یک رشته رسانای نازک با عبور جریان الکتریکی آنقدر گرم می شود که نور تابش کند. به طور کلی، به هر وسیله ای که با گرم کردن یک ماده تا دمای بسیار بالا نور تولید کند، منبع نور رشته ای یا تابشی گفته می شود.
لامپ های رشته ای بیش از ۱۰۰ سال یکی از اصلی ترین منابع روشنایی الکتریکی بودند و امروزه نیز در کاربردهای خاص، از جمله دستگاه های اپتیکی و اسپکتروفتومتر ها، اهمیت زیادی دارند.
در این مقاله با تاریخچه، ساختار، گازهای داخل لامپ، انواع لامپ رشته ای و کاربردهای آن آشنا می شوید. برای مقایسه لامپ رشته ای با سایر منابع نوری، مقاله [انواع منبع نوری] را بخوانید.
تاریخچه لامپ رشته ای
اگرچه توماس ادیسون به عنوان مخترع لامپ رشته ای شناخته می شود، دانشمندان و مخترعان بسیاری پیش از او نمونه های اولیه این لامپ را ساخته بودند.
نخستین منابع نور الکتریکی
سال ۱۸۰۲: همفری دیوی، شیمیدان انگلیسی، نشان داد که با عبور جریان الکتریکی از یک نوار پلاتین می توان آن را تا حد تابش نور گرم کرد، اما این نوارها دوام زیادی نداشتند.
اوایل قرن نوزدهم: نخستین منبع نور الکتریکی کاربردی، لامپ قوس کربنی بود که با جرقه الکتریکی بین دو الکترود کربنی نور تولید می کرد.
سال ۱۸۵۸: با کمک مولدهای الکتریکی که بر پایه کشف القای الکترومغناطیسی مایکل فارادی ساخته شده بودند، لامپ قوس کربنی در یک فانوس دریایی در انگلستان به کار رفت.
لامپ قوس کربنی بسیار پرنور و پرمصرف بود و به همین دلیل فقط در مکان های بزرگی مانند فانوس های دریایی، ایستگاه های قطار و فروشگاه های بزرگ استفاده می شد.
نخستین لامپ های رشته ای
سال ۱۸۴۱: فردریک دی مولینز از انگلستان، نخستین حق اختراع لامپ رشته ای را برای لامپی با پودر زغال بین دو سیم پلاتین دریافت کرد.
سال ۱۸۶۵: پمپ خلأ جیوه ای اختراع شد که امکان ایجاد خلأ کافی در لامپ را فراهم کرد. بزرگ ترین مشکل تا آن زمان، ساخت رشته ای بود که بدون ذوب شدن یا سوختن تا حد تابش نور گرم شود.
سال های ۱۸۷۸ و ۱۸۷۹: جوزف سوان در انگلستان و توماس ادیسون در آمریکا، به طور مستقل لامپ هایی با رشته کربنی ساختند. اختلاف آنها بر سر حق اختراع، با تاسیس یک شرکت مشترک در سال ۱۸۸۳ حل شد.
ادیسون به دلیل توسعه کل سیستم روشنایی، از نیروگاه و خطوط برق تا تجهیزات لازم برای استفاده از لامپ، اعتبار اصلی این اختراع را به دست آورد. لامپ رشته ای کربنی بازده کمی داشت، اما دود و خطر آتش سوزی روشنایی با گاز را از بین برد و به سرعت محبوب شد. تا سال ۱۹۰۰، روشنایی الکتریکی به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی شهری تبدیل شده بود.
تحول لامپ رشته ای در قرن بیستم
سال ۱۹۰۴: نخستین لامپ های با رشته تنگستن ساخته شدند که بسیار کارآمدتر از رشته کربنی بودند.
حدود سال ۱۹۱۰: ویلیام کولیج در شرکت جنرال الکتریک، روشی برای تولید تنگستن شکل پذیر ابداع کرد که ساخت رشته های تنگستنی بادوام را ممکن کرد.
سال ۱۹۱۳: ایروینگ لنگمویر نشان داد که پر کردن لامپ با گاز بی اثر و پیچیدن رشته به شکل فنر، بازده و عمر لامپ را افزایش می دهد. ابتدا از نیتروژن و بعدها از مخلوط نیتروژن و آرگون استفاده شد.
حدود سال ۱۹۲۵: حباب لامپ ها از داخل با اسید هیدروفلوئوریک مات شد تا نور پخش تر و کمتر خیره کننده شود.
دهه ۱۹۳۰: رشته دوبار پیچیده معرفی شد که بازده را بیشتر افزایش داد و لامپ رشته ای به منبع اصلی روشنایی خانگی تبدیل شد.
کاهش استفاده از لامپ رشته ای
در سال ۱۹۳۸، نخستین لامپ های فلورسنت تجاری عرضه شدند که چند برابر کارآمدتر از لامپ های رشته ای بودند و به سرعت در ادارات و فروشگاه ها رایج شدند.
در اوایل قرن بیست و یکم، به دلیل نگرانی ها درباره مصرف انرژی و تغییرات اقلیمی، بسیاری از کشورها حذف تدریجی لامپ های رشته ای را از روشنایی خانگی آغاز کردند:
استرالیا در سال ۲۰۰۷ برنامه حذف تدریجی لامپ های رشته ای را اعلام کرد.
اتحادیه اروپا از سال ۲۰۰۹، ابتدا فروش لامپ های رشته ای ۱۰۰ وات و بالاتر را ممنوع کرد و به تدریج توان های کمتر را نیز حذف کرد.
کنگره آمریکا در سال ۲۰۰۷ قانونی تصویب کرد که حذف تدریجی لامپ های رشته ای کم بازده را بین سال های ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۴ الزامی کرد.
امروزه LEDها جای لامپ های رشته ای را در بیشتر کاربردهای روشنایی گرفته اند.
لامپ رشته ای چگونه کار می کند؟
در لامپ رشته ای، جریان الکتریکی از یک رشته نازک با مقاومت الکتریکی بالا عبور می کند. این رشته به دلیل مقاومتش داغ می شود و در دمای بسیار بالا، مانند یک جسم سیاه، نوری با طیف پیوسته گسیل می کند.
رشته لامپ معمولا از تنگستن ساخته می شود که بالاترین نقطه ذوب را در میان فلزات دارد. دمای کار رشته در لامپ های معمولی حدود ۲۴۰۰ تا ۲۸۰۰ کلوین و در لامپ های هالوژن تا حدود ۳۲۰۰ کلوین است.
بازده لامپ رشته ای
لامپ های رشته ای کمترین بازده را در میان منابع نور رایج دارند. لامپ رشته ای معمولی تنها حدود ۵ درصد انرژی مصرفی را به نور مرئی تبدیل می کند و بقیه آن به گرما و پرتو فروسرخ تبدیل می شود. عمر این لامپ ها نیز نسبتا کوتاه و معمولا حدود ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ساعت است.
با این حال، لامپ رشته ای مزایایی نیز دارد: ارزان است، به تجهیزات راه انداز نیاز ندارد، به راحتی قابل کم و زیاد کردن نور است و نوری گرم با کیفیت بازتاب رنگ بسیار عالی تولید می کند، چون طیف آن پیوسته است.
ولتاژ کاری لامپ رشته ای
لامپ های رشته ای برای ولتاژهای مختلف ساخته می شوند:
لامپ های ولتاژ شبکه: برای ولتاژ برق شهری مانند ۲۲۰ ولت در ایران یا ۱۲۰ ولت در آمریکا. این لامپ ها به رشته ای بسیار نازک و بلند با مقاومت بالا نیاز دارند که آنها را نسبت به ضربه و تبخیر تدریجی حساس تر می کند. به همین دلیل اغلب رشته دوبار پیچیده دارند که بازده و عمر را بهبود می دهد.
لامپ های ولتاژ پایین: مانند لامپ های ۶ و ۱۲ ولت، که به مقاومت کمتری نیاز دارند و می توانند رشته ضخیم تر و مقاوم تری داشته باشند.
اجزای لامپ رشته ای
یک لامپ رشته ای معمولی از این اجزا تشکیل شده است:
حباب شیشه ای: محفظه بیرونی لامپ
گاز پرکننده یا خلأ: برای محافظت از رشته
رشته تنگستن: منبع تولید نور
سیم های اتصال: که جریان را به رشته می رسانند
سیم های نگهدارنده: که رشته را در جای خود نگه می دارند
پایه شیشه ای: که سیم ها از آن عبور می کنند، بدون اینکه گاز یا هوا نشت کند
سرپیچ رزوه دار: برای اتصال به جاالامپی
عایق: که دو اتصال الکتریکی سرپیچ را از هم جدا می کند
بیشتر لامپ های خانگی سرپیچ E27 (پیچی معمولی) یا E14 (پیچی کوچک) دارند و به راحتی در جاالامپی پیچانده می شوند.
حباب لامپ رشته ای
حباب لامپ ها معمولا شفاف یا مات است. در لامپ های مات، یک لایه پودری از خاک کائولن به روش الکترواستاتیک روی سطح داخلی حباب نشانده می شود که نور رشته داغ را پخش کرده و نوری ملایم ایجاد می کند. این لامپ ها در روشنایی داخلی بسیار رایج بودند.
لامپ های رنگی برای مصارف تزیینی، مانند ریسه های چراغانی، با افزودن ترکیبات فلزی به شیشه ساخته می شوند؛ برای مثال کبالت رنگ آبی و کروم رنگ سبز ایجاد می کند. لامپ های پرقدرت یا لامپ های گرمایشی حباب هایی از شیشه سخت یا کوارتز دارند.
اگر حباب لامپ ترک بخورد و هوا وارد آن شود، رشته داغ تنگستن با اکسیژن و نیتروژن هوا واکنش داده و اکسیدها و نیتریدهای تنگستن به رنگ های قهوه ای، بنفش و زرد روی سطح داخلی حباب رسوب می کند.
گاز داخل لامپ رشته ای
لامپ های اولیه برای محافظت از رشته در برابر اکسید شدن، فقط خلأ داشتند. خلأ از اتلاف گرما جلوگیری می کند، اما تبخیر رشته را افزایش می دهد. امروزه بیشتر لامپ ها با گاز بی اثر با فشاری حدود ۷۰ کیلوپاسکال پر می شوند تا تبخیر رشته را کاهش دهند. نوع گاز باید طوری انتخاب شود که اتلاف گرمای زیادی ایجاد نکند. رایج ترین گازها عبارت اند از:
خلأ: در لامپ های کوچک و لامپ هایی که دمای سطح بیرونی آنها باید پایین بماند.
آرگون (حدود ۹۳ درصد) و نیتروژن (حدود ۷ درصد): آرگون به دلیل بی اثر بودن، رسانایی حرارتی کم و قیمت مناسب استفاده می شود و نیتروژن از ایجاد قوس الکتریکی بین بخش های رشته جلوگیری می کند.
کریپتون: به دلیل وزن اتمی بیشتر و رسانایی حرارتی کمتر از آرگون، تبخیر رشته را بهتر کند می کند و امکان ساخت لامپ های کوچک تر را فراهم می کند، اما گران تر است.
مخلوط کریپتون و زنون: برای بازده بیشتر در لامپ های خاص
هیدروژن: در لامپ های چشمک زن خاص که رشته باید به سرعت خنک شود.
هالوژن ها: در لامپ های هالوژن
انواع لامپ رشته ای
لامپ رشته ای معمولی
لامپ رشته ای معمولی، همان لامپ آشنای خانگی است که رشته تنگستن آن در یک حباب شیشه ای پر از گاز بی اثر یا خلأ قرار دارد.
لامپ هالوژن تنگستن
لامپ هالوژن تنگستن نوع پیشرفته لامپ رشته ای است که نور سفیدتر و قوی تری تولید می کند. در این لامپ، رشته تنگستن در یک حباب کوچک و فشرده از جنس کوارتز قرار دارد که با مخلوطی از گاز بی اثر و مقدار کمی هالوژن مانند ید یا برم پر شده است.
در این لامپ ها، چرخه هالوژن رخ می دهد: تنگستن تبخیر شده از رشته با هالوژن ترکیب می شود و به جای رسوب روی دیواره حباب، دوباره به رشته برمی گردد و روی آن رسوب می کند. این چرخه از تیره شدن حباب جلوگیری می کند و اجازه می دهد رشته در دمای بالاتری کار کند. در نتیجه، لامپ هالوژن نسبت به لامپ رشته ای معمولی بازده کمی بیشتر، نور سفیدتر و عمری حدود دو تا سه برابر دارد.
اندازه کوچک لامپ های هالوژن امکان استفاده از آنها را در سیستم های نوری فشرده، مانند پروژکتورها، میکروسکوپ های نوری و اسپکتروفتومترها، فراهم می کند. در اسپکتروفتومترها، لامپ هالوژن منبع اصلی نور در ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک است. برای آشنایی بیشتر، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.
در برخی لامپ های هالوژن خانگی، حباب کوارتزی کوچک درون یک حباب شیشه ای بزرگ تر قرار می گیرد که آن را از آلودگی محافظت کرده و استحکام آن را افزایش می دهد.
نکته مهم: هرگز حباب کوارتزی لامپ هالوژن را با دست برهنه لمس نکنید. چربی پوست روی کوارتز داغ، نقاط ضعیفی ایجاد می کند که عمر لامپ را کوتاه کرده و ممکن است باعث ترکیدن آن شود.
انواع لامپ رشته ای بر اساس شکل و کاربرد
لامپ های حبابی: شکل کلاسیک برای روشنایی عمومی
لامپ های شمعی: برای لوسترها و چراغ های تزیینی
لامپ های رفلکتوردار: با پوشش بازتابنده داخلی برای نورپردازی متمرکز
لامپ های مینیاتوری: در چراغ های نشانگر، چراغ قوه ها و ریسه ها
لامپ های فروسرخ و گرمایشی: برای گرمایش، فیزیوتراپی و صنایع
لامپ های فر و یخچال: که باید در دماهای بسیار بالا یا پایین کار کنند
لامپ های رشته ای غیرالکتریکی
لامپ توری گازی
در لامپ توری گازی، یک کیسه پارچه ای مشبک به نام توری که با محلولی از نیترات های فلزی، به طور سنتی نیترات توریم و سریم، آغشته شده، روی دهانه خروج گاز قرار می گیرد. سوخت می تواند گاز طبیعی، پروپان، بنزین بخار شده یا سوخت های دیگر باشد.
با اولین روشن شدن، پارچه توری می سوزد و یک شبکه ظریف از اکسیدهای فلزی باقی می ماند. این شبکه با شعله گاز آنقدر داغ می شود که نوری سفید و درخشان تابش می کند، بدون اینکه خودش بسوزد. این نوع لامپ در دهه ۱۸۹۰ توسط کارل آوئر فون ولسباخ توسعه یافت. چون توریم پرتوزا است، در توری های امروزی معمولا از ترکیبات ایتریم به جای آن استفاده می شود.
لایم لایت
لایم لایت یک منبع نور بسیار درخشان بود که در دهه ۱۸۲۰ ساخته شد و تا حدود سال ۱۹۰۰ برای نورپردازی صحنه های تئاتر استفاده می شد. در این لامپ، یک قطعه آهک (اکسید کلسیم) در شعله اکسیژن و هیدروژن گرم می شد تا نوری بسیار شدید تولید کند.
سوالات متداول درباره لامپ رشته ای
لامپ رشته ای چگونه نور تولید می کند؟
با عبور جریان الکتریکی از یک رشته تنگستن که آن را تا حدود ۲۴۰۰ تا ۲۸۰۰ کلوین گرم می کند و باعث تابش نور می شود.
چرا بازده لامپ رشته ای کم است؟
چون بیشتر انرژی مصرفی آن، حدود ۹۵ درصد، به گرما و پرتو فروسرخ تبدیل می شود و فقط بخش کوچکی به نور مرئی تبدیل می شود.
تفاوت لامپ هالوژن و رشته ای معمولی چیست؟
لامپ هالوژن مقداری گاز هالوژن دارد که با چرخه هالوژن از تیره شدن حباب جلوگیری می کند و نور سفیدتر، بازده کمی بیشتر و عمر طولانی تری فراهم می کند.
چرا داخل لامپ رشته ای گاز آرگون است؟
برای جلوگیری از اکسید شدن رشته و کاهش تبخیر تنگستن، بدون ایجاد اتلاف حرارتی زیاد.
مخترع لامپ رشته ای کیست؟
جوزف سوان و توماس ادیسون به طور مستقل لامپ های رشته ای کاربردی را ساختند، هرچند افراد زیادی پیش از آنها نمونه های اولیه را ساخته بودند.
جمع بندی
لامپ رشته ای با گرم کردن یک رشته تنگستن تا دمای بسیار بالا، نوری با طیف پیوسته تولید می کند. این لامپ پس از تلاش های بسیاری از مخترعان، با کار سوان و ادیسون به یک منبع نور کاربردی تبدیل شد و با پیشرفت هایی مانند رشته تنگستن، پر کردن با گاز بی اثر و رشته دوبار پیچیده، سال ها منبع اصلی روشنایی بود.
امروزه به دلیل بازده کم، لامپ های رشته ای در روشنایی عمومی جای خود را به LEDها داده اند، اما در کاربردهایی که به طیف پیوسته، اندازه کوچک یا کار در دماهای بالا نیاز دارند، مانند اسپکتروفتومترها، میکروسکوپ ها و لامپ های فر، همچنان کاربرد دارند.
منابع
ScienceDirect
.svg)